Zeitweiliger Sauerstoffmangel in der Tiefsee mit Langzeitfolgen

Wenn der Sauerstoff im Bodenwasser knapp wird, verbleibt mehr organisches Material im Meeresboden

10. Februar 2017

Periodische Schwankungen im Sauerstoffgehalt des Bodenwassers können den Kohlenstoffspeicher im Meeresboden und seine Bewohner auf Jahrzehnte verändern. Das zeigt eine neue Untersuchung im Schwarzen Meer von Forschern des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen. Bei Sauerstoffmangel wird demnach weniger organisches Material abgebaut. Da sauerstoffarme Zonen in den Ozeanen zunehmen, beeinflusst dies die Produktivität der Meere in immer größerem Ausmaß.

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Original 1508158560
Das Tauchboot Jago nimmt Sedimentproben am Meeresboden. Sauerstoff dringt nur bis knapp unter die Oberfläche ein, die schwarzen und grauen Schichten sind sauerstofffrei.
Das Tauchboot Jago nimmt Sedimentproben am Meeresboden. Sauerstoff dringt nur bis knapp unter die Oberfläche ein, die schwarzen und grauen Schichten sind sauerstofffrei.

Der Meeresboden spielt eine Schlüsselrolle in den weltweiten Stoffkreisläufen. Die Organismen, die dort leben, verzehren und verarbeiten herabsinkendes organisches Material. Ein kleiner Teil des eintreffenden Materials wird üblicherweise im Boden vergraben. Der Großteil wird von den Bodenbewohnern abgebaut und in seine Bestandteile zerlegt. Er steht danach dem Ökosystem für neue Biomasseproduktion zur Verfügung. So beeinflusst das Schicksal dieses Materials am Meeresboden maßgeblich die weltweiten Kohlenstoff- und Nährstoffzyklen und in der Folge die Produktivität der Meere und unser Klima.

Welche Organismen am Meeresboden leben und wie aktiv sie sind, hängt maßgeblich davon ab, wie viel Sauerstoff im Meeresboden verfügbar ist. Inwieweit auch kurzfristige Schwankungen des Sauerstoffgehalts die Remineralisierung - und damit die Menge an Kohlenstoff, die vergraben wird - verändern, war lange unklar. Die nun vorliegende Studie einer internationalen Forschergruppe um Gerhard Jessen vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie zeigt: Sinkende Sauerstoffwerte im Bodenwasser beeinflussen den Kohlenstoffspeicher im Meeresboden früher und über größere Flächen als bisher angenommen, und das über Jahrzehnte hinweg. Wird der Sauerstoff am Meeresboden knapp, so wird deutlich weniger organisches Material abgebaut und deutlich mehr vergraben. Und was einmal vergraben ist, bleibt auch lange im Untergrund. „Um die Hälfte mehr Material verbleibt im Boden, wenn der Sauerstoff im Bodenwasser immer mal wieder knapp wird“, so Jessen. „Sogar für die Tiere leckere Häppchen wie frisch abgesunkenes Algenmaterial, das eigentlich leicht umzusetzen ist, bleibt dann jahrzehntelang ungenutzt.“

Schwarzes Meer als natürliches Labor

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Einfluss von Sauerstoff im Bodenwasser auf das Ökosystem an der nordwestlichen Krim und dem Schwarzmeer-Schelf. Bei andauernd hohen Sauerstoffkonzentrationen (rechts) finden sich zahlreiche Bodentiere, die den Boden gründlich durchlüften. Die Atmung von Tieren und aeroben Mikroorganismen ist entsprechend hoch (gelber/oranger Bereich). Bei beginnender Sauerstoffarmut (Mitte) sinkt die Atmung, geringere Durchmischung des Untergrunds führt zu einem Anstieg anaerober Mikroben ihres Stoffwechsels. Unter sauerstofffreien Bedingungen (links) leben nur noch Mikroorganismen.
Einfluss von Sauerstoff im Bodenwasser auf das Ökosystem an der nordwestlichen Krim und dem Schwarzmeer-Schelf. Bei andauernd hohen Sauerstoffkonzentrationen (rechts) finden sich zahlreiche Bodentiere, die den Boden gründlich durchlüften. Die Atmung von Tieren und aeroben Mikroorganismen ist entsprechend hoch (gelber/oranger Bereich). Bei beginnender Sauerstoffarmut (Mitte) sinkt die Atmung, geringere Durchmischung des Untergrunds führt zu einem Anstieg anaerober Mikroben ihres Stoffwechsels. Unter sauerstofffreien Bedingungen (links) leben nur noch Mikroorganismen.

Im Labor sind solche langfristigen und komplexen Prozesse nur schwer nachzuvollziehen. Deswegen untersuchte das internationale Forscherteam im Rahmen des EU FP7 Projektes HYPOX  mit dem Forschungsschiff Maria S. Merian das Schwarze Meer. Dort gibt es durch eine besonders stabile Schichtung des Meeres eine natürliche Abnahme des Sauerstoffs im Bodenwasser, vom gut durchlüfteten Flachwasser über Gebiete mit variablen Sauerstoffbedingungen bis ins sauerstofffreie Tiefenwasser unterhalb von etwa 160 Meter Wassertiefe. „Der Meeresboden im Schwarzen Meer ist wie ein natürliches Labor. Hier können wir untersuchen, was vielen Bereichen der Weltmeere bevorstehen könnte“, erklärt Jessen.

Sauerstoffarme Zonen in den Ozeanen nehmen durch menschliche Nährstoffeinträge und Ozeanerwärmung immer weiter zu“, erläutert Antje Boetius, Leiterin der HGF MPG Brückengruppe für Tiefsee-Ökologie und -Technologie und Leiterin der Studie. „Deswegen ist es besonders wichtig, zu verstehen, was Sauerstoffarmut für das Leben im Meer und die großen biogeochemischen Kreisläufe bedeutet.“

Veränderte Besiedelung

Wieso haben die zeitweiligen Atemprobleme des Meeresbodens so starke Auswirkungen? „Der Sauerstoffmangel verändert die Bewohner des Meeresbodens“, so Boetius. Vor allem große Tiere wie Würmer und Muscheln brauchen Sauerstoff zum Leben. Diese Tiere durchwühlen das Sediment auf der Suche nach Nahrung und beim Anlegen von Wohnbauten und mischen dabei auch Nahrung und Sauerstoff für kleinere Meeresbodenbewohner unter. „Wird der Sauerstoff knapp, verschwinden die Tiere. Die im Meeresboden lebenden Bakterien sind dann quasi allein für die Umsetzung des organischen Materials verantwortlich.“

Doch sie sind dabei sehr langsam. So kommt es, dass bei wenig Sauerstoff im Bodenwasser mehr organisches Material vergraben wird. Anaerobe Mikroorganismen, die ohne Sauerstoff beispielsweise durch Fermentation oder Sulfatreduktion ihre Energie gewinnen, übernehmen das Ruder. Sie produzieren dann den giftigen Schwefelwasserstoff, der den Abbau weiter verlangsamt.

„Vom Schwarzen Meer können wir viel lernen“, sagt Boetius, „denn dort kann man die Auswirkungen von Sauerstoffmangel auf das Ökosystem Meer und seine Bedeutung auch für uns Menschen besonders gut erforschen. Solche Untersuchungen sind angesichts des globalen Wandels unverzichtbar, um mögliche Alarmsignale aus den Ozeanen rechtzeitig zu erkennen.“

FA/HR

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