recycling unterm eis

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FORSCHUNG
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Der Forschungseisbrecher
­„Polarstern“ an der Eiskante bei 76° S
in der Weddellsee. Es war
der s­ üdlichste Punkt, der während
der Expedition von Kapstadt
nach P
­ unta Arenas erreicht wurde.
K
omposthaufen der Ozeane – so
könnte man den Meeresboden
bezeichnen. Abgestorbene Mikroalgen,
tote Tiere sowie Kot sinken in die Tiefe
und landen auf dem Grund. Die hier lebenden Organismen verwerten diesen
„Abfall“ und wandeln ihn in anorganische Nährstoffe für die Primärproduktion um. Diese Prozesse werden als
Remineralisierung bezeichnet. Wir
wollten wissen, wie „aktiv“ der Meeresboden in der Antarktis ist, wie gut
also die Organismen im südlichsten
Komposthaufen der Meere recyceln
können – und was die Meeresoberfläche damit zu tun hat. In der Antarktis
geht es dabei vor allem um das Eis.
RECYCLING
UNTERM EIS
Wie Tiere im antarktischen Meeresboden die
Remineralisierung beeinflussen
von Yasemin Bodur, Gritta Veit-Köhler,
Derya Seifert & Heike Link
Noch während die Wellen um den 50. Breitengrad herum am Forschungseisbrecher
„Polarstern“ zerren, machen sich die ersten Vorboten der Antarktis bemerkbar. Unförmige Eisklumpen schaukeln im dunklen
Wasser auf und ab. Seitdem das Schiff mit
seiner Besatzung und den rund fünfzig Wissenschaftlern von Kapstadt, Südafrika, in
See stach, wurde es eine ganze Woche
lang nur von unruhiger See und tiefem, wolkenverhangenem Himmel begleitet. Die
„Polarstern“ begab sich Anfang Dezember
2015 auf eine Reise in die südlichsten und
menschenleersten Gebiete der Erde. Fast
drei Monate lang wohnten Wissenschaftler
und Crew auf dem Forschungsschiff, um
Proben im Weddellmeer zu sammeln und
Experimente durchzuführen (Schröder
2016). Zwei Wissenschaftlerinnen von der
Universität Kiel und von Senckenberg am
Meer waren zusammen mit ihren Studentinnen mit an Bord.
muss. Das Weddellmeer ist das größte
von 14 Randmeeren, die den antarktischen
Kontinent umschließen. Nachdem wir den
„roaring fourties“ und „furious fifties“ des
Südlichen Ozeans entkommen sind, umgibt uns eisige Stille, denn die starre Eisdecke dämpft die Wellen ab. Der Meeresboden, das Ziel unserer Forschung, liegt
unterhalb des Eises in den Tiefen der
dunklen Wassermasse versteckt. Schließlich ragt das antarktische Ekström-Schelf­eis
wie eine gigantische Wand in strahlenden
Weiß- und Blautönen vor uns am Horizont
auf, als ob die Natur uns sagen wollte: Bis
hierhin und nicht weiter.
Der Multicorer im Einsatz
An der Schelfeiskante angelegt, beliefert
die „Polarstern“ zuerst die deutsche Antarktis-Forschungsstation „Neumeyer III“.
Die schweren Container werden per Kran
auf das Schelfeis gehievt, wo die Pistenraupen schon darauf warten, die Lieferungen
zur Forschungsstation zu karren. Jetzt erst
ist der Weg zu den Containern mit unserer
Ausrüstung frei. An Weihnachten ist es
Der Multicorer wird zu Wasser gelassen …
Fahrt ins ewige Weiß
Zwei Wochen dauert es, bis wir im Weddellmeer ankommen. Nach den immer
größer werdenden weißen Brocken, die
an uns vorbeitreiben, fahren wir an massiven Eisbergen vorbei, bis sich das Schiff
mühselig durch eine weiße Wüste pflügen
SENCKENBERG | NATUR • FORSCHUNG • MUSEUM 146 | 11/12 2016
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… und bis kurz über den Grund gefiert. Dann wird das Gerät langsam abgesetzt.
Die Plexiglasröhren dringen ins Sediment ein. Beim Hieven löst ein Verschlussmechanismus aus, die Röhren werden verschlossen und die Proben an Deck geholt.
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Die Kamera am Multicorer bewahrt uns vor manchem Schaden: Weil wir den
­großen Stein rechtzeitig sehen, kann der Windenfahrer die Winde noch rechtzeitig
stoppen und die wertvollen Plexiglasröhren sind gerettet.
Einige der Fragen, die wir uns über die
­Remineralisierung stellen, wollen wir mit
diesen Sedimentkernen schon an Bord
­beantworten, und zwar im 2-Grad-Labor.
Was wir genau wissen wollen – dazu
später mehr.
In diesen dunklen, engen „Kühlraum“
schleppen wir unsere kiloschweren Proben und verschließen die Röhren mit luftdichten Deckeln. An diesen Sedimentkernen messen wir alle vier Stunden – egal
ob Weihnachten, Silvester oder um 3 Uhr
nachts – die Sauerstoffkonzentration, um
später den Verbrauch zu berechnen. Außerdem nehmen wir Nährstoffproben und
bestimmen die Menge entstandenen Ammoniums, das ein Abbauprodukt des Proteinstoffwechsels und ein wichtiger Stickstofflieferant ist (s. Infokasten). Aber wer
produziert das Ammonium und verbraucht
den Sauerstoff in diesen Röhren?
Yasemin Bodur und Derya Seifert freuen sich: Der Multicorer hat ausgelöst
und die Röhren sind gefüllt.
dann endlich soweit, wir können mit unserer Arbeit loslegen. Messgeräte und Pumpen werden ausgepackt, Gläschen, Tütchen, Spritzen und Plastikbehälter
beschriftet, dicke Arbeitsklamotten, Helme und Schwimmwesten bereitgelegt
und die großen Geräte, die ins Wasser
gehen sollen, an Deck entpackt und einsatzbereit gesichert. Kaum haben wir die
Labore einigermaßen für unsere Experimente eingerichtet, wird die erste Station
angekündigt. Unsere Arbeitsgruppe bedient vor allem ein Gerät, den Multicorer
– kurz: MUC. Das sechsbeinige Gestell
wird an einem Drahtseil bis auf den Meeresboden abgelassen und presst lange
Plexiglasröhren ins Sediment. Sind diese
mit Schlick gefüllt, wird das Gerät mit der
Winde wieder an Deck gehievt.
SENCKENBERG | NATUR • FORSCHUNG • MUSEUM 146 | 11/12 2016
Der Meeresboden lebt
Auch bei den eisigen Temperaturen im
antarktischen Weddellmeer lebt der Meeresboden, aus dem wir mit dem MUC an
verschiedenen Stationen kleine Proben
ausgestanzt haben. Tiere und Mikroorganismen im Sediment leben von dem, was
von oben „herunterregnet“, also die Tiere
in der Wassersäule wie Fische und Zooplankton übriglassen. Auch abgestorbene
Mikroalgen, tote Tiere und Kot werden
verwertet. Damit decken die Sedimentbewohner ihren Energiebedarf, verbrauchen
Sauerstoff und setzen als Nebenprodukte
anorganische Mineralstoffe frei, die im Prinzip nichts anderes als der Dünger sind, den
wir in unser Gemüsebeet streuen. Diese
Remineralisierung ist ein wesentlicher Teil
des Nährstoffkreislaufs. Je mehr Organismen im Meeresboden leben, desto mehr
organisches Material kann zersetzt und am
Ende remineralisiert werden – und dementsprechend wird auch mehr Sauerstoff verbraucht (Link et al. 2013). Das ist Teil eines
Kreislaufs, der von einer Reihe von Faktoren
abhängt: Erstens wäre da die sogenannte
Primärproduktion, die von den Algen in den
lichtdurchfluteten Wasserschichten betrieben wird. Sie bildet die Nahrungsgrundlage
für alles Leben im Ozean (s. Infokasten) und
hängt wiederum vom Sonnenlicht ab, das
die Algen zur Fotosynthese und damit
Mit Nährstoffanalysen der ­­
Re­mineralisierung auf der Spur
rasche Kontamination beeinflusst werden
können. Proben für die anderen Nährstoffe
können bei – 80 °C eingefroren und später
In der Natur wird so gut wie alles recycelt:
im Labor gemessen werden.
Tiere und Mikroorganismen, die im Sediment leben, verwerten abgesunkenes
Die Messungen der in den Sedimentker-
­o rganisches Material weiter. Bei dieser
nen freigesetzten Nährstoffe helfen uns
Remineralisierung entstehen Stoffwech-
ebenso wie der Sauerstoffverbrauch, Aus-
selprodukte, die wiederum wichtige Mine-
sagen über die Effektivität von Benthos-
ralstoffe für Primärproduzenten wie die
gemeinschaften bei der Remineralisie-
Mikroalgen sind. Zu den freigesetzten
rung zu treffen. Damit können wir die
Nährstoffen gehören Ammonium (NH 4),
verschiedenen Standorte, an denen wir
Nitrat (HNO3), Phosphat (H3PO 4) und Kiesel-
das Sediment entnommen haben, nicht
säure (Si(OH) 4). Ammonium muss direkt
nur anhand der sie bewohnenden Orga-
nach der Probennahme an Bord gemessen
nismen vergleichen, sondern auch deren
werden, da die Messungen oft durch eine
Funktion im Ökosystem besser verstehen.
PRIMÄRPRODUKTION
UND ORGANISCHER
„ABFALL“
ANORGANISCHE
NÄHRSTOFFE
Sauerstof f verbrauch
Makrofauna
NAHRUNGSAUFNAHME
UND REMINERALISIERUNG
Meiofauna
Mikroorganismen
1
Eisalgen und Planktonalgen sind Primärproduzenten im Südozean. Zusammen
mit weiterem organischen Material wie toten Tieren und Kotballen sinken sie zum
­Meeresboden.
dort lebenden Mikroorganismen und die Tiere der Meio- (z. B. Fadenwurm und
2 Die
Ruderfußkrebs) und Makrofauna (z. B. Borsten- und Röhrenwürmer, Schlangenstern,
Seestern) zersetzen die Nahrung und verbrauchen dabei den Sauerstoff im Wasser.
3 Als Nebenprodukte werden bei dieser Remineralisation anorganische Nährstoffe
(Mineralstoffe) wie Ammonium, Nitrat, Phosphat und Kieselsäure freigesetzt. Diese
dienen wiederum als Dünger für die Primärproduktion an der Meeresoberfläche.
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Werden Eiskristalle, die durch
­Gefrieren aufgestiegen sind, durch
Wellenbewegungen an der Wasser­
oberfläche gleichmäßig vermischt,
entsteht „grease ice“, eine Art Eisbrei. Herrschen dazu unruhige
­Wetterverhältnisse, entstehen wie
auf diesem Foto pfannkuchenartige
Gebilde: „pancake ice“. Der leicht
­erhöhte Rand wie beim Pfann­
kuchen in der Pfanne ensteht durch
das ­Aufschwappen des Eisbreis.
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