Auf ihrer ersten wissenschaftlichen Fahrt hat die Maria S. Merian, das neueste deutsche Forschungsschiff, hochinteressante Daten und Bilder aus den sauerstofffreien Zonen am Grund der tiefen Becken der Ostsee gesammelt. Ziel der Ausfahrt war es, die biogeochemischen Prozesse zu erforschen, die sich von der Wasseroberfläche bis hinunter in den obersten Schichten des Meeresbodens abspielen. Besonders interessiert haben die Forscher sich dabei für die beiden tiefsten Stellen der Ostsee, das Landsort-Tief (bis ca. 450 Meter Tiefe) und das Gotland-Tief (bis ca. 270 Meter Tiefe), da dort am Meeresboden kein Sauerstoff vorhanden ist. Dabei haben sie spektakuläre Aufnahmen einer milchigen Schicht gemacht, wo der Sauerstoff verschwindet. Bis jetzt gibt es zwar Theorien, aber noch keine endgültigen Bestätigungen über die Zusammensetzung dieser Schicht.
In den sauerstofffreien Zonen der Meere bilden spezielle Mikroorganismen den für vieles Leben giftigen Schwefelwasserstoff. Das Programm der Wissenschaftler zielte darauf ab, zu erkunden, wie die über, auf und unter dem Meeresboden lebenden Mikroorganismen diesen Lebensraum gestalten und auf äußere Einflüsse reagieren. Dazu erforschen die Wissenschaftler, welche biologischen, physikalischen und chemischen Prozesse dieses System steuern, und wie diese sich gegenseitig beeinflussen. Proben, die sie in verschiedenen Wassertiefen genommen haben, helfen ihnen, herauszufinden wo der Sauerstoff durch die Mikroorganismen verbraucht wird.
Wasserproben im Visier
„Wir benutzen dazu die so genannte Pump-CTD, die vom Institut für Ostseeforschung in Warnemünde (IOW) gebaut wurde. Sie pumpt ständig Wasser aus den unterschiedlichen Tiefen direkt in die Labore an Bord. So können wir genau sehen, wo die verschiedenen Prozesse stattfinden und wie sich die biologischen, physikalischen und chemischen Werte verändern“, erklärt der Geochemiker Professor Michael Böttcher vom Leibniz-Institut für Ostseeforschung. „Besonders interessant sind Partikel, kleine Aggregate aus Mikroorganismen und anderen Stoffen, die langsam durchs Wasser sinken. Durch die Wechselwirkung zwischen festem Material, Mikroorganismen und umgebendem Wasser finden eine Reihe von Prozessen statt, die die Zusammensetzung der Sedimente mitbestimmen.“
Milchige Schicht aus elementarem Schwefel?
„Beim Eintauchen in die Redoxkline, dort wo der Sauerstoff verschwindet und der Schwefelwasserstoff sich anzureichern beginnt, tauchte die Kamera plötzlich in eine mehrere Meter dicke milchige Schicht“, erzählt Michael Böttcher von dem Ereignis. „Noch rätseln wir über die Ursache für dieses ungewöhnliche Phänomen. Ein heißer Kandidat sind jedoch winzigste Kügelchen von elementaren Schwefel, doch der Beweis steht noch aus.“
Der Mineraloge Dr. Thomas Leipe vom IOW hat sich diese Partikel aus der Wassersäule genauer angeschaut und Erstaunliches festgestellt: Mangan und Eisen reagieren zum Beispiel mit Sauerstoff und Phosphat. So finden sich Dutzende Mikrometer große spinnenartige Partikel aus Mangandioxid und Eisenphosphat in der Wassersäule verteilt. Die ersten Messungen mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigen, dass sie nur in bestimmten Tiefen im Bereich der Redox-Grenzschicht vorkommen. Welche Rolle diese festen Partikel für die biogeochemischen Prozesse haben, wird die Wissenschaftler auch in Zukunft noch beschäftigen. Sie wollen besser erklären können, wie Nährstoffe, Metalle, Sauerstoff und mikrobielle Prozesse im Wasser verteilt sind und dieses Wissen in Modelle einfliessen lassen. „Allein die Tatsache, dass hier neue Bakteriengruppen auftreten, zeigt schon, dass wir noch viel lernen können von unseren Daten“, freut sich Meeresbiologe Professor Klaus Jürgens vom IOW.
Abbau organischen Materials variabel
Proben vom Meeresboden, an Stellen, wo er die Sauerstoffgrenzschicht durchstößt, haben ebenfalls neue Erkenntnisse gebracht: Der dort existierende weiße Flaum aus Beggiatoa-Bakterien enthält ebenfalls elementaren Schwefel. Das Oxidationsprodukt von Schwefelwasserstoff findet sich hier aber innerhalb der Bakterien. In hoher Auflösung, unter anderem mit Mikrosensoren, untersuchten die Wissenschaftler das Wasser, das sich in den Poren der Ablagerungen befand und modellierten die Ergebnisse. Wie schnell das organische Material in den Becken der Ostsee abgebaut wird, variiert deutlich, je nachdem, wie die Sedimente zusammengesetzt sind und wo sie im Verhältnis zur Sauerstoffgrenzschicht liegen.
So viele Proben auch während der Ausfahrt in den modernen Labors der Maria S. Merian schon untersucht werden konnten, der Großteil der Arbeit geht nunmehr in den Laboren der Heimatinstitute erst richtig los. „Wir haben Hunderte von Proben gewonnen, die uns Antworten geben können: Antworten auf die Frage, wie und warum es zur Sauerstoffverarmung in den Tiefen der Ostsee kommt und welche Mikroorganismen darin involviert sind. Die Tiefenverteilung eines Schlüsselorganismus, ein Bakterium welches mit Hilfe von Nitrat Schwefelwasserstoff oxidiert, wurde bereits mittels Gensonden analysiert.“ resümiert Klaus Jürgens, der Fahrtleiter der Reise MSM01/1war.
An der Suche nach diesen Antworten beteiligen sich nicht nur die Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Ostseeforschung in Warnemünde, der Universität Rostock, dem Zentrum für Ozeanographie im britischen Southampton, dem russischen Shirchov Institut und dem Bremer Max Planck Institut, die sich an Bord befanden, sondern auch weitere Mitarbeiter der jeweiligen Institute.
(Kirsten Achenbach, DFG-Forschungszentrum Ozeanränder, 16.06.2006 – AHE)
