Download Expeditionsbericht - Meereswettbewerb

Forschungsarbeit imRahmen des MeereswettbewerbInwiefern wirkt sich ein sinkender pH-Wertin der Nordsee negativ auf dort lebendeMeeresorganismen mit Kalkschalen aus?Eine Untersuchung am Beispiel von Seepockenund MiesmuschelnVon Lykke Ibbeken, Jonas Schlie, FinjaJaquet15.09.2012

InhaltSeite1. Einleitung 32. Material und Methoden 4a. Untersuchungsgebiet Helgoländer Buchtin der Nordseeb. Der ph-Wert des Nordseewassersc. Die Miesmuschel 5d. Die Seepocke 6e. Entnahme der Untersuchungstieref. Durchführung der Versuche 7g. Methodenkritik 93. Ergebnisse 104. Diskussion 115. Abbildungsverzeichnis 146. Literaturverzeichnis & Buchquellen 147. Danksagung 162

2. Material und Methoden2.1. Das Untersuchungsgebiet Helgoländer Bucht in der NordseeDie Nordsee ist ein kleines Randmeer des Atlantischen Ozeans mit bis zu 95 m Tiefe. DasGesicht der Nordsee wird vor allem durch die starke Tide bestimmt, die an den Küsten gut zubeobachten ist. Rund um unser Untersuchungsgebiet (siehe Karte 1) hat die Nordsee einenSalzgehalt von etwa 35 Promille. Die Wassertemperatur um Helgoland schwankt zwischen etwa4°C Winter und etwa 16°C im Sommer. Dabei ist seit 1962 eine Zunahme derOberflächenwassertemperatur um 1,6°C bei Helgoland zu beobachten.Der pH-Wert liegt zurzeit bei 8,2, allerdings ist eine leichte Abnahme des pH-Werts seit Beginnder Industrialisierung zu beobachten.Karte1: Untersuchungsgebiet HelgolandAbb. 2: Die Lange Anna auf Helgoland2.2. Der pH-Wert des NordseewassersDer pH-Wert gibt an, wie stark sauer oder basisch eine Lösung ist. Er beschreibt genauer, wieviele positiv oder negativ geladene Teilchen eine Lösung enthält. Je saurer eine Lösung ist,desto mehr positiv geladene H + -Ionen enthält sie.Das Wasser der Nordsee hat einen pH-Wert von etwa 8. Es ist also leicht basisch, woran die inder Nordsee lebenden Tiere und Pflanzen gut angepasst sind.Der pH-Wert des Meerwassers wird von der CO 2 – Konzentration in der Atmosphärebeeinflusst. Das ist so, weil CO 2 in Wasser löslich ist. Je höher die CO 2 – Konzentration in derAtmosphäre ist, desto mehr CO 2 wird vom Meerwasser aufgenommen. Seit dem Beginn derindustriellen Revolution vor etwa 200 Jahren steigt die CO 2 – Konzentration in der Atmosphärestetig an, was den anthropogenen Klimawandel verursacht. Etwa 48% des seit Beginn derindustriellen Revolution vom Menschen in die Atmosphäre abgegebenen CO 2 wurde von denMeeren aufgenommen. In der Folge ist der pH-Wert im Oberflächenwasser der Meere um etwa0,1 Einheiten gesunken. Die Nordsee wird also „saurer“ bzw. das Wasser wird etwas wenigeralkalisch.4

2.3. Die Miesmuschel (Mytilus edulis)Miesmuscheln sind bläulich bis lilafarben, fünf bis zehn Zentimeter lang und haben einelängliche bis ovale Form. Mit so genannten Byssus-Fäden (siehe Abb 3) heften sie sich anihrem Untergrund fest, zum Beispiel an Steinen und Felsen, Holzpfählen oder an festem Sand.Dort bilden sie kompakte Muschelbänke.Die Miesmuscheln pflanzen sich fort indem die Weibchen Eier legen und die Männchen siebefruchten. Die befruchteten Eier schwimmen dann im Meer herum und entwickeln sich zuLarven. Für die Entwicklung ihrer Schale benötigen diese Calciumcarbonat aus dem Wasser.Sie entwickeln sich weiter zu ca. fünf Millimeter großen Jungmuscheln und setzen sich dannmit ihren Byssusfäden fest, am liebsten dorthin, wo schon viele Miesmuscheln sind. Dortkönnen die Männchen die Eier nämlich viel besser befruchten.Miesmuscheln gehören zu den effektivsten Filtrierern im Wattenmeer. Sie filtern in denSommermonaten alle 10-30 Tage das gesamte Wasser des Wattenmeers 1 . Deshalb bezeichnetman sie auch als die Klärwerke der Nordsee.Mit Hilfe von Flimmerhärchen erzeugen sie einen Wasserstrom in ihre Mantelhöhle (siehe Abb.3 unten Mitte). Im durch die Kiemen herein gespülten Wasser befinden sich Schwebepartikelund Plankton sowie weitere Mikroorganismen, die in der Schleimschicht der Kiemen hängenbleiben und von der Miesmuschel verdaut werden. Das, was sie nicht verwerten können,scheiden die Muscheln durch die Ausströmöffnung wieder aus.Abb. 3: Aktive Miesmuscheln bei der NahrungsaufnahmeBei Ebbe oder Gefahr kann sich die Muschel mit Hilfe des Schließmuskels fest verschließenund so einige Zeit ohne Wasser überleben. Fressfeinde der Miesmuschel sind Seesterne,Strandkrabben, Plattfische und viele Vögel.1 Siehe: Meyer, H.U.; Twenhöven, F.L.; Kock,K. (1994): Lebensraum Wattenmeer. Wiesbaden: Quelle und MeyerVerlag.5

2.6. Durchführung der VersucheUm herauszufinden ob eine Abnahme des pH-Werts in der Nordsee die Fitness unsererUntersuchungstiere Balanus spec. und Mytilus edulis herabsetzt, haben wir mit Tieren beiderArten Experimente durchgeführt. Wir haben beobachtet, wie sich die Filtrierleistung der Tiere inBechergläsern mit Meerwasser mit verschieden pH-Werten verändert.Miesmuscheln:Eigentlich wollten wir die Filteraktivität der Miesmuscheln messen, indem wir Schlick insWasser mischen und feststellen, wie lange die Muscheln brauchen um das Wasser zu reinigen.Abb. 5: Experimente mit SchlickAber bei den Vorarbeiten haben wir festgestellt, dass sich der Schlick zu schnell am Bodenabsetzt.Unsere Wissenschaftspatin Jennifer Schmitt gab uns den Rat, statt des SchlicksPlankton zu nehmen da dieses länger im Wasser schwebt. Das Plankton gewannen wir mitHilfe eines Planktonnetzes, welches wir hinter dem Schiff herzogen. Daraus gewonnen wir dasPlankton für unsere Experimente (siehe Abb. 6).Abb. 6: Gewinnung von Plankton mit dem Planktonnetz7

Um einen Vergleichswert für die Filteraktivität der Muscheln zu haben, befüllten wir einBecherglas ohne Miesmuschel mit ¾ Pipette Plankton. Außerdem setzen wir Versuche mitMeerwasser mit pH-Werten von 4, 5, 6, 7, 8 und 9 an. Die pH-Werte hatten wir vorher mit Hilfevon Salzsäure bzw. Natronlauge und eines PH-Meters eingestellt.Abb. 7: Einstellung des pH-Werts mit dem pH-MeterAbb..8: Versuchsansätze mit verschiedenen pH-WertenMit diesen Versuchsansätzen verglichen wir die Filterleistung der Miesmuscheln.Dafür haben wir möglichst gleich große Miesmuscheln in verschiedene Bechergläser gesetztund abgewartet, welche aktiv werden. Die aktiven Miesmuscheln haben wir auf dieBechergläser mit den verschiedenen pH-Werten verteilt und jeweils eine 3/4 PipettenfüllungPlankton dazu gegeben. Eine Stunde haben wir beobachtet, wie die Miesmuscheln dasPlankton aus dem Wasser filtern.Eigentlich wollten wir die Zeit protokollieren, die die Miesmuscheln benötigen um das Wasservollständig zu reinigen. Das funktionierte aber nicht, da ein Teil der Tiere die Filteraktivitätteilweise oder ganz einstellte. Deswegen legten wir eine Stunde als Untersuchungszeitraumfest.8

Leider hatte unsere Messmethode nun den Nachteil, dass wir keine richtigen Werte erhielten.Wir konnten nur beobachten, dass einige Miesmuscheln nach einer Stunde mehr Plankton ausdem Wasser gefiltert hatten als andere.Seepocken:Auch für die Seepocken bereiteten wir Bechergläser mit Meerwasser mit pH-Werten von 4-9 vorDann haben wir in jedes Becherglas einen Gegenstand mit Seepocken gesetzt und jeweils 30Sekunden lang beobachtet, wie oft die Seepocken mit den Rankenfüßen winken um Planktonaus dem Wasser zu fischen.Unsere Versuchsergebnisse haben wir protokolliert und später mit Hilfe unserer unermüdlichenWissenschaftspatin Jennifer Schmitt in einer Excel-Datei verarbeitet.Außerdem haben wir mit Hilfe des Binokulars und der Fotoausrüstung der Aldebaran Fotos vonunseren Versuchstieren gemacht.Abb. 9: Aufnahme einer Seepocke unter dem Binokular2.7. MethodenkritikEine wichtige Voraussetzung für ein Experiment ist, dass man nur einen Parameter verändertund alle anderen gleich lässt.Wie in unserer Diskussion genauer erläutert, spielt die Wassertemperatur eine wichtige Rollefür die Fitness von Miesmuscheln und Seepocken. Da wir dies nicht wussten, haben wir esversäumt, die Wassertemperatur bei unseren Versuchsansätzen zu messen. Wir benötigten z.T. längere Zeit um die pH-Werte in den Bechergläsern einzustellen und können nun nicht mehrsagen, ob sich die Wassertemperatur in den verschiedenen Bechergläsern durchunterschiedlich langes Stehen unter Deck geringfügig unterschied.Möglicherweise hatten wir also noch einen zweiten Parameter, der verändert wurde, Daskönnte unsere Ergebnisse eventuell verfälscht haben. Allerdings glauben wir nicht, dass dieTemperaturabweichung groß gewesen ist. Deswegen gehen wir in unserer Diskussion nichtweiter auf diesen Aspekt ein. Wir würden ihn aber bei weiteren Experimenten beachten.9

3. ErgebnisseMiesmuscheln:Bei der Dokumentation der Miesmuschel-Ergebnisse hatten wir, wie schon erwähnt, dasProblem, dass man die Filtrationsrate nicht als Zahl ausdrücken konnte. Deswegen konnten wirdie Ergebnisse nur im Verhältnis zueinander beschreiben (siehe Tabelle 1).Unsere Beobachtungen ergaben aber eindeutig, dass die Miesmuscheln nur bei pH-Werten von7-8 normal aktiv waren. Bei pH-Werten von 4 und 5 war keine Aktivität zu erkennen. Bei pH-Wert 6 zeigten die Miesmuscheln eine geringe Filteraktivität. Bei pH-Wert 9 war eine leichtabgeschwächte Filterleistung erkennbar.Zusammenfassend kann man sagen, das eine Verringerung des pH-Werts im Wasser auf unterpH 7 zu einer sofortigen Abnahme der Aktivität der Miesmuscheln führt.pH-Wert Beobachtete Filterleistung4 Keine Filteraktivität erkennbar5 Keine Filteraktivität erkennbar6 Geringe Filteraktivität erkennbar7 Normale Filteraktivität8 Normale Filteraktivität9 Leicht verringerte FilteraktivitätTabelle 1: Ergebnisse der Versuche mit MiesmuschelnSeepocken:Bei den Seepocken zeigte sich, dass die Aktivität im Meerwasser mit einem pH-Wert von 8,2am höchsten war (grüner Balken in Diagramm 1).Auch bei einem pH-Wert von genau 8 waren die Seepocken mit über 50 Winkbewegungen in30 Sekunden noch sehr aktiv.Eine Verringerung des pH-Wertes um eine Einheit auf 7 führte zu einer deutlich sichtbarenDezimierung der Filteraktivität der Seepocken auf unter 40 Winkbewegungen in 30 Sekunden.Auf eine noch stärkere Absenkung des pH-Wertes reagierten die Seepocken mit drastischerVerringerung der Aktivität (unter 10 Winkbewegungen in 30 Sekunden).Bei einer Erhöhung des pH-Wertes auf 9 verringerten die Tiere ihre Aktivität deutlich auf ca. 25Winkbewegungen in 30 Sekunden.Zusammenfassend kann man sagen, dass die Seepocken schon auf kleine Änderungen despH-Werts mit einer Abnahme der Aktivität reagieren.10

Diagramm 1: Ergebnisse der Versuche mit Seepocken4. DiskussionWir hatten uns die Frage gestellt, inwieweit ein sinkender pH-Wert in der Nordsee negativeAuswirkungen auf die dort lebenden Meeresorganismen mit Kalkschalen hat. Dazu stelltenwir die Hypothese auf, dass die Tiere durch ein verändertes Verhalten ihren Stress bzw. ihreverringerte Fitness anzeigen werden. Diese Hypothese wurde durch unsere Experimentebestätigt. Sowohl die Miesmuscheln als auch die Seepocken reagierten auf veränderte pH-Werte im Meerwasser mit einer verringerten Filtrieraktivität. Daraus schließen wir, dass dieFitness der Tiere erheblich sinkt, wenn sich der pH-Wert verändert.Das erklären wir uns folgendermaßen. Die Tiere haben ein bestimmtes pH-Wert-Fenster, anDas sie angepasst sind. Innerhalb dieses Bereiches gibt es einen Wert, bei dem die Tierebesonders Leistungsfähig sind. Diesen Bereich nennt man das Optimum. Er liegt bei derSeepocke und bei der Miesmuschel bei einem pH-Wert von 8,2. Weicht der pH-Wertvon diesem Optimum ab, leidet die Fitness der Tiere.Verändert sich der pH-Wert über den Toleranzbereich der Tiere hinaus, sind sie nicht mehrlebensfähig.Um unsere Untersuchungsergebnisse bewerten zu können, müssen wir wissen wie sich der pH-Wert in der Nordsee in den nächsten Jahrzehnten entwickeln wird. Dazu gibt es nurVermutungen. Der pH-Wert im Oberflächenwasser des Meeres wird von der CO 2 -Konzentrationin der Atmosphäre beeinflusst. Diese lag vor der Industrialisierung bei etwa 280 ppm. Bis heuteist dieser Wert auf 387 ppm gestiegen, wobei das Meer als so genannte CO 2 -Senke wirkt. Dasheißt, dass seit der industriellen Revolution etwa 48 % des vom Menschen ausgestoßenen CO 2´im Meer gebunden wurde 2 . Dieser Anstieg der CO 2- Konzentration fand in einer vergleichsweisekurzen Zeit statt.2 Siehe: Findlay et al 201011

Das ist ein Problem für die Meeresorganismen, weil CO 2 in Wasser löslich ist. Es reagiert mitdem Wasser zu Kohlensäure, wodurch das Meer „saurer“ wird. Durch die steigende CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre ist der pH-Wert in den Meeren seit der Industrialisierung umdurchschnittlich 0,1 Einheit gesunken 3 . Das entspricht einer Zunahme der Wasserstoffionen-Konzentration von fast 30% 4 . Je nachdem, wie viel CO 2 die Menschen in den nächstenJahrhunderten ausstoßen, ist mit einer Abnahme des pH-Werts von 0,77 5 bis zu 1,4 Einheitenin den nächsten 300 Jahren zu rechnen 6 . Das ist die größte pH-Wert Abnahme seit 300Millionen Jahren 7 .Eine solche Entwicklung bedeutet für die Seepocken und Miesmuscheln erheblichen Stress.Zwar waren die von uns untersuchten Seepocken und Miesmuscheln bei einem pH-Wert von 7noch lebensfähig und aktiv, allerdings bei eingeschränkter Fitness. Außerdem haben wir dieTiere auch nur für eine begrenzte Zeitspanne diesen Bedingungen ausgesetzt. Darüber, wie dieTiere langfristig auf größere pH-Wert-Schwankungen reagieren würden, können wir nurVermutungen anstellen.Wir nehmen an, dass sich die die Konkurrenzfähigkeit der Tiere soweit verschlechtern würde,dass die Tiere durch tolerantere Arten verdrängt werden würden.Verschiedenen Untersuchungen über die Konsequenzen des Klimawandels zufolge 8 ist abervor allem die steigende Oberflächenwassertemperatur ein Problem für die Fitness vielerMeerestiere, z. B. der Seepocken. Messungen der Biologischen Anstalt Helgoland zeigen,dass die Oberflächenwassertemperatur vor Helgoland seit 1962 um ca. 1,5°C gestiegen ist 9 .Dadurch werden die Seepocken vor allem während ihrer Larvenzeit gestresst. Wenn nun eineStresskombination von sinkendem pH-Wert und steigender Oberflächenwassertemperaturauftritt, addieren sich die Probleme und die Seepocken könnten möglicherweise aus diesemTeil der Nordsee verschwinden.Ein weiteres Problem für Miesmuscheln und Seepocken stellt ihre Kalkschale dar. Um dieseaufzubauen, benötigen sie Calciumcarbonat, das sie sich aus dem Meerwasser holen. Sinkt derpH-Wert, ist auch das Kalkangebot im Wasser geringer und es ist für die Tiere schwieriger,Kalkschalen aufzubauen. Denkbar wäre auch, dass die Kalkschalen erwachsener Tiere durchden sinkenden pH-Wert angegriffen werden.Was bedeutet das für das Ökosystem Nordsee?Wenn der pH-Wert in der Nordsee weiterhin abnimmt und die Oberflächenwassertemperaturweiter so schnell ansteigt, dann gerät das ganze Ökosystem der Nordsee durcheinander.Insbesondere das schnelle Tempo der Erwärmung ist ein Problem, weil sich die Tiere undPflanzen nicht so schnell an die veränderten Bedingungen anpassen können.Seepocken und Miesmuscheln spielen eine wichtige Rolle in diesem Ökosystem. EineVerringerung der Individuendichte oder ein Verschwinden dieser Organismen hätte negativeKonsequenzen für das Ökosystem Nordsee.3 Siehe: Kai Schulz & Ulf Riebesell 2011

Wie schon in Kapitel 2.2 erläutert spielt die Miesmuschel eine wichtige Rolle als Kläranlage imMeer. Sie filtert riesige Wassermengen und hält das Wasser so sauber. Weiterhin stellt dieMiesmuschel eine wichtige Nahrungsquelle für viele Tiere, zum Beispiel auch für Speisefischewie die Scholle, dar. Auch wir nutzen die Miesmuschel als Nahrungsquelle. Jährlich werden inEuropa 550.000 Tonnen gezüchtet und vermarktet 10 . Ein Verlust dieser Art hätte also direktenegative Auswirkungen auf den Menschen.Auch Seepocken sind wichtige Bestandteile des Ökosystems Nordsee (siehe Kapitel 2.3).Beispielsweise stellen sie eine bedeutsame Nahrungsgrundlage für andere Krebse, Seeigel,Raubschnecken und Watvögel dar.Unser Fazit:Wenn wir mit der Verschmutzung der Atmosphäre durch unsere verschwenderische undverantwortungslose Lebensweise so weiter machen wird das für das gesamte Leben aufunserer Erde negative Konsequenzen haben, deren Ausmaß wir heute weder abschätzen nochverantworten können.10 Siehe: http://de.wikipedia.org/wiki/Miesmuscheln#Miesmuscheln_als_Speise13

5. AbbildungsverzeichnisKarte1: Untersuchungsgebiet HelgolandAutor: Jonas Schlie auf Basis von Google mapsErstellungsdatum: 31.07.2012Link: http://maps.google.com/Abb. 4. Seepocken bei der Nahrungsaufnahme:Titel: Seepocken bei der NahrungsaufnahmeFotograf: UnbekanntLetztes Aufrufdatum: 01.08.2012Link: http://www.uniduesseldorf.de/WWW/MathNat/Biologie/Didaktik/Wattenmeer/4_tiere/bilder/73-bewseepocke_kl.jpgAbb. 1-3 und 5-9 sind im Rahmen der Forschungsfahrt an Bord der Aldebaran entstanden.6. LiteraturverzeichnisOnline-Quellen:Titel: Klimawandel und marine ÖkosystemeAutor: UmweltbundesamtErscheinungsdatum: Juni 2009Letztes Aufrufdatum: 27.07.2012Link: http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/3805.pdfTitel: Klimawandel in der NordseeAutor: Alfred-Wegener-Institut für PolarforschungErscheinungsdatum: unbekanntLetztes Aufrufdatum: 01.08.2012Link:http://www.awi.de/fileadmin/user_upload/News/Print_Products/PDF/Poster/Poster_Klmawandel_de.pdfTitel: Mean yearly trend of temperature in surface water at Helgoland RoadsAutorin: Karen WiltshireErscheinungsdatum: 2012Letztes Aufrufdatum: 01.08.2012Link:http://www.awi.de/de/institut/wissenschaftliche_beratung/nordseebuero/organisation/galerie_klimawandel/Titel: Wie verändert sich die Nordsee?Autoren: Prof. Dr. Karen WiltshireErscheinungsdatum: unbekanntLetztes Aufrufdatum: 10.08.2012Link:http://www.awi.de/de/aktuelles_und_presse/hintergrund/klimawandel/wie_veraendert_sich_die_nordsee/14

Buchquellen:Titel: Lebensraum WattenmeerAutoren: Meyer, H.U.; Twenhöven, F.L.; Kock,K.Erscheinungsdatum: 1994Verlag: Quelle und Meyer Verlag. WiesbadenTitel: Lexikon der Meeres- und SüßwassertiereAutoren: A. Campbell & John DawesErscheinungsdatum: 2005Verlag: Delius Klasing VerlagTitel: Versauerung des Meerwassers durch anthropogenes CO 2 . In: Warnsignal Klima. DieMeere. Änderungen und RisikenAutoren: K. Schulz & U. RiebesellErscheinungsdatum: 2011Titel: Can ocean acidification affect population dynamics of the barnacle Semibalanusbalanoides at its southern range edge?Autoren: H. Findlay, M. Burrows, M. A. Kendall, J. I. Spicer & S. WiddicombeErscheinungsdatum: 2010Titel: Impacts of ocean acidification on marine fauna and ecosystem processesAutoren: V. J. Fabry, B. A. Seibel, R. A. Feely & J. C. OrrErscheinungsdatum: 2008Titel: Anthropogenic carbon and ocean pHAutoren: K. Caldeira, M. E. WickettErscheinungsdatum: 2003Titel: MiesmuschelnAutor: unbekanntErscheinungsdatum: 2012Letztes Aufrufdatum: 01.08.2012Link: http://de.wikipedia.org/wiki/Miesmuschel15

DanksagungZuallererst wollen wir dem danken, der diese Fahrt erst möglichgemacht hat: Unserem Skipper und Besitzer des Schiffes ALDEBARANFrank Schweikert. Ohne ihn hätten wir das alles nicht erleben können.Dann danken wir ganz herzlich Patrick Schibat, oder Herrn Schibat, deruns bei stürmischer See und auch sonst zu Seite stand und wichtigeDienste (den Eimerservice) geleistet hat.Desweiteren wollen wir uns von ganzem Herzen bei Jennifer Schmitt,unserer Wissenschaftspatin, dafür bedanken, dass sie freiwillig mit unsdiese Fahrt gemacht hat und uns das Watt einmal ganz persönlicherklärt und gezeigt hat.Außerdem danken wir unserem Kamera- und auch SteuermannChristoph Landerer, der uns zwei Tage lang begleitet und auf derstürmischen Fahrt nach Helgoland tapfer das Steuer gehalten hat umuns sicher ans Ziel zu bringen.Und zu guter Letzt danken wir natürlich auch unserer Lehrerin FrauIbbeken, die uns überhaupt erst auf den Wettbewerb vorbereitet hatund ohne die wir nie so weit gekommen wären.Danke!Lykke IbbekenFinja JaquetJonas Schlie16