im Schwarzen Meer - Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

FOKUS
Bereits an Bord werden die Sedimentproben einer ersten Analyse
unterzogen (im Bild links Marcel Kuypers, rechts Gaute Lavik).
bereits bei 50 bis 100 Meter Tiefe;
darunter steigt die Temperatur wieder
an und erreicht am Boden neun
Grad Celsius.
Als isoliertes Randmeer reagiert
das Schwarze Meer sehr empfindlich
auf Änderungen der Umwelt – und
zwar nicht nur der heutigen, sondern
ebenso der erdgeschichtlich weiter
zurückliegenden. Für Forscher bietet
es daher hervorragende Möglichkeiten
für hoch auflösende Untersuchungen
des Paläoklimas. Dabei
lassen sich auch Klimasignale aus
dem südost- und zentraleuropäischen
Raum erfassen, die im eingetragenen
Schwemm-Material aus der
Donau stecken. Darüber hinaus ist
das Schwarze Meer – als Lagerstätte
organisch reicher Sedimente aus geologischer
Vergangenheit – auch der
ideale Ort, um biogeochemische Stoffkreisläufe
zu studieren.
RÜCKBLICK AUF
7500 JAHRE KLIMA
Die spezifischen Sedimentationsbedingungen
führten zur Ablagerung
fein aufgebauter, während der
vergangenen 7500 Jahre größtenteils
sogar jahreszeitlich geschichteter
Sedimente. Das gestattet, die erdgeschichtlichen
Klimaschwankungen –
deren Verständnis für Aussagen über
die zukünftige Klimaentwicklung un-
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verzichtbar ist – bis auf Jahres-Zeitskalen
zu analysieren. Von deren
Vergleich mit anderen hoch aufgelösten
Zeitreihen sowohl aus kontinentalen
Regionen (etwa von Baumringen
aus Europa sowie Eiskernen
und Seesedimenten aus Grönland)
als auch aus marinen Bereichen
(Arabische See, östliches Mittelmeer
und Rotes Meer) erhoffen sich die
Forscher ein besseres Verständnis der
längerfristigen Variabilität globaler
oder zumindest hemisphärischer
Klimasignale wie beispielsweise von
ENSO (besser bekannt unter den Namen
El Niño und La Niña).
Die Reise der Max-Planck-Forscher
begann mit einigen Hindernissen.
So schreibt der wissenschaftliche
Leiter der Expedition, Bo Barker
Jørgensen, in seinem Wochenbericht
von Bord der METEOR: „Die Vorbereitung
der Fahrt im Hafen von Istanbul
war schwierig, weil unsere
Container zwei Tage lang nicht an
Bord kommen konnten. Sie standen
zwar da im Hafen, aber wegen der
Bürokratie und des Endes des Ramadan
wurde die Zollabfertigung verzögert,
und danach war der Pier
plötzlich von Lkws einen ganzen Tag
einfach blockiert. […] Wegen der
Hafenprobleme konnte eine In-situ-
Pump-CTD (conductivity-temperature-depth)
für kontinuierliche Profile
und Proben aus der Wassersäule
nicht aufgebaut und getestet werden.
Zwei Techniker aus dem Institut
für Ostseeforschung in Warnemünde
(IOW) sind deswegen zwei Tage mitgefahren
und haben die Messungen
erfolgreich durchgeführt. Um diesen
Gerätetest zu ermöglichen, mussten
wir im Marmarameer anfangen und
sind dann nach Istanbul zurückgekehrt,
wo wir auf Reede lagen, bis
die beiden Kollegen mit einem Boot
wieder an Land gebracht werden
konnten.“
Im Marmarameer ziehen die Wissenschaftler
an drei Stationen in
300 bis 1200 Meter Wassertiefe Sedimentkerne;
sie erscheinen sehr viel
Laborgerät zum Aufreinigen von Stickstoffgas und anderen Verbindungen aus Wasserproben.
versprechend für eine detaillierte
Analyse der holozänen und frühen
Entwicklung des Klimas und der Verbindung
zwischen Mittelmeer und
Schwarzem Meer, denn sie weisen
nach drei bis vier Metern laminierte
Schichten auf. Auch die ersten Bohrkerne
im Schwarzen Meer sind gut,
obwohl ihre Gewinnung aus dem Sediment
in der schwefelhaltigen Tiefsee
besondere Maßnahmen erfordert:
Dem Multicorer (MUC), einem Gerät
zur Entnahme von 40 bis 50 Zentimeter
langen Sedimentkernen, müssen
„Entenfüße“ angepasst werden,
damit er nicht zu tief in den weichen
Meeresboden einsinkt. In der oberen,
holozänen Abfolge des Sediments
zeigen die Kerne fein laminierte
Jahresschichten – ein Traum für jeden
Paläoklimatologen.
Die zweite Woche beginnt sehr
stürmisch und stellt die Seetauglichkeit
der Max-Planck-Forscher auf eine
harte Probe: „Bei Windstärke acht
bis neun muss die Arbeit unterbrochen
werden, und die METEOR kann
nur gegen den Wind fahren“,
schreibt Jørgensen in seinem Fahrtenbericht.
Die Fachleute fürchten,
dass die Wetterbedingungen ihre Arbeit
weiter beeinträchtigen könnten
– doch glücklicherweise flaut der
Wind wieder ab, und die Untersuchungen
im westlichen Schwarzen
Meer können weitergehen. Entlang
des Kontinentalhangs vom 2100 Meter
tiefen Becken bis auf den Schelf
werden neben Schwerelot- und
MUC-Kernen auch Proben aus der
Wassersäule genommen, um die
Geochemie und die Mikrobiologie
zu analysieren.
„Die Beprobung der Wassersäule
mit In-situ-Pumpen und mit einem
neuen Pump-CTD hat hervorragend
funktioniert. Das Schlauchsystem
des Pump-CTD’s bringt kontinuierlich
Meerwasser aus verschiedenen
Tiefen auf Station direkt ins Labor,
wo online die Chemie analysiert
wird. […] Obwohl die Experimente zu
Denitrifikation, Manganreduktion,
anaerober (?) Ammoniumoxidation
und Sulfidoxidation noch laufen,
gibt es die ersten Ergebnisse aus der
Zonierung in der Wassersäule. Im
zentralen Schwarzen Meer sind in 95
Meter Wassertiefe grüne Schwefelbakterien
vorhanden, die dort als
phototrophe Sulfidoxidierer bei extrem
niedriger Lichtintensität leben.“
Die anaerobe, also ohne Sauerstoff-
Zufuhr erfolgende Ammoniumoxidation
versieht Bo Barker Jørgensen
in seinem Bericht noch mit einem
Fragezeichen. Denn Mikroorganismen,
die in der Lage sind, Ammonium
auch unter sauerstofffreien Bedingungen
zu konsumieren, sind erst
vor wenigen Jahren entdeckt worden
– und zwar in Kläranlagen.
KLÄRANLAGEN – NÄHRBÖDEN
FÜR UNBEKANNTE SPEZIES
Diese so genannten Anammox-
Bakterien setzen Ammonium mithilfe
von Nitrit zu Stickstoff um (anaerobe
Ammonium-Oxidation) und werden
beim Betrieb moderner Kläranlagen
in Zukunft eine wichtige Rolle spielen,
da sie die teuere Belüftung des
Klärwassers ersparen. Weil die Kläranlagen-Bakterien
aber nur sehr
langsam wachsen, nahm man bisher
an, dass sie keine marinen Verwand-
ANAMMOX IM SCHWARZEN MEER
ten hätten, die im Meer eine wesentliche
Rolle spielen könnten. Vielmehr
galt die Nitrifikation oder Denitrifikation
als der einzig relevante Prozess,
der die stickstoffhaltigen Nährstoffe
im Ozean vermindert: Dabei
oxidieren Mikroorganismen zunächst
das Ammonium (NH 4) mit Sauerstoff
(O 2) über Nitrit (NO - 2) zu Nitrat (NO - 3).
Ist kein freier molekularer Sauerstoff
vorhanden, kann das Nitrat anschließend
von heterotrophen Bakterien
benutzt werden, um organisches
Material zu oxidieren. Dabei wird
molekularer Stickstoff (N 2) frei, der
als Gas in die Atmosphäre entweicht.
Diese Freisetzung bezeichnen die
Fachleute als Denitrifikation.
Umfang und Geschwindigkeit, mit
der Stickstoff in Form von Nitrat, Nitrit,
Ammonium und anderen anorganischen
Verbindungen gespeichert
(fixiert) oder umgekehrt als Gas freigesetzt
wird, bestimmen den globalen
Stickstoffhaushalt. Mit der Freisetzung
von gasförmigem Stickstoff
wird dieser als Nährstoff jedoch
unzugänglich – und genau deshalb
hängt der Prozess auch unmittelbar
mit dem Umsatz von Kohlendioxid
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MIKROBEN
Schema der neu entdeckten Stickstoff-Freisetzung im Schwarzen Meer. Zwischen der
sauerstoffreichen Zone (rot) und der Ammonium-Zone (blau) haben sich Nahrungsspezialisten,
die so genannten Anammox-Bakterien (grün), angesiedelt.