Quelle: GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel 16. August 2023.

16. August 2023/Kiel. Satelliten-Fernerkundung kann helfen, die Nährstoff-Limitierung im Ozean zu beobachten und zu verstehen, wie sie die Produktivität des Phytoplanktons beeinflusst. Diese winzigen marinen Pflanzen bilden die Basis des Lebens im Meer und sind der Schlüssel zu wichtigen Funktionen des Ozeans wie der Klimaregulierung. In einem heute in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel beschreibt ein internationales Team von Expert:innen unter der Leitung von Dr. Thomas Browning vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel diesen neuartigen Ansatz. Er trägt auch dazu bei, biogeochemische Modelle zu verbessern und zukünftige Auswirkungen des Klimawandels besser vorherzusagen.

Winzige marine Pflanzen – das Phytoplankton – bilden die Grundlage des Lebens im Ozean. Sie tragen zur Kontrolle der Konzentrationen von Kohlendioxid (CO₂) in der Atmosphäre und damit zur Regulierung unseres Klimas bei. Um zu gedeihen, sind sie auf Sonnenlicht und Nährstoffe angewiesen. Hierzu zählen auch Elemente wie Eisen oder Stickstoff, die durch Strömungen und Auftrieb an die Meeresoberfläche gelangen können.

Um Nährstoffgrenzen für die Existenz des Phytoplanktons im Ozean zu verstehen, nutzen Wissenschaftler:innen üblicherweise Experimente auf Schiffsexpeditionen. Diese erfassen jedoch stets nur einen winzigen Teil des Ozeans zu einem bestimmten Zeitpunkt. Daher testete ein internationales Team von Forschenden, ob ein von Satelliten im Weltraum aufgenommenes Signal zur Beobachtung der Nährstoffbegrenzung genutzt werden kann – und so innerhalb weniger Tage der gesamte Ozean abgedeckt wird. Zu diesem Zweck untersuchten sie, ob die von Satelliten aufgezeichnete Fluoreszenz von Phytoplankton im äquatorialen Pazifik Informationen über die Nährstoffbegrenzung des Phytoplanktons liefert. Die Beobachtungen wurden auf der Expedition SO267/2 mit dem deutschen Forschungsschiff SONNE im Jahr 2019 durchgeführt. In dieser Ozeanregion variieren die Nährstoffverfügbarkeit und die Produktivität des Phytoplanktons aufgrund der Klimaschwankung des El Niño Southern Oscillation-Phänomens (ENSO) auf natürliche Weise. Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

„Obwohl Satelliten seit zwei Jahrzehnten Fluoreszenz messen, wissen wir noch nicht, wie wir diese richtig interpretieren können“, sagt Dr. Thomas Browning. Der Meeresbiologe und Chemiker am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel ist koordinierender Autor der Nature-Publikation und Gruppenleiter von „Ocean Glow“. Das vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) geförderte Projekt zielt darauf ab, neue Ansätze zu entwickeln, um anhand von Satellitenbeobachtungen zu ermitteln, welche Nährstoffe das Phytoplanktonwachstum begrenzen.

Während der SONNE-Expedition 2019 nutzten die Forschenden Experimente und Analysen von Phytoplankton-Proteinen, um nachzuvollziehen, welche Nährstoffe das Phytoplanktonwachstum limitieren. Außerdem werteten sie Schwankungen in der Fluoreszenz des Phytoplanktons aus – vom Phytoplankton ausgestrahltes rotes Licht, das durch die Nährstoffe reguliert wird, welche das Wachstum begrenzen. Insbesondere produziert das Phytoplankton bei Eisenlimitierung Pigment-Protein-Komplexe, die stark fluoreszieren, während dies bei Stickstofflimitierung nicht der Fall ist. Darüber hinaus nahmen die Forschenden optische Messungen wie die der MODIS-Satelliten der NASA vor – jedoch mit Instrumenten, die an der Vorderseite des Schiffs angebracht waren und auf die Meeresoberfläche blickten. Diese Felddaten verglichen sie dann mit Satellitendaten, um historische Trends der Nährstoffbegrenzung im äquatorialen Pazifik seit Beginn der Satellitenbeobachtungen vor zwei Jahrzehnten zu bewerten.

„Wir fanden heraus, dass die Existenz des Phytoplanktons entweder durch Eisen oder durch Stickstoff limitiert ist, was zu sehr unterschiedlichen Eigenschaften in der Fluoreszenz des Phytoplanktons führt, die von Satelliten erfasst werden. Wir fanden auch heraus, dass die Intensität der Eisenbegrenzung die Fluoreszenzsignale beeinflusst: Eine stärkere Eisenbegrenzung führte zu mehr Fluoreszenz“, fasst Dr. Browning zusammen. Die Fluoreszenz-Beobachtungen der Satelliten variierten in einer Weise, die dem Eisenangebot entsprach, das im Laufe der ENSO-Zyklen aus tieferen Gewässern aufstieg.

Ein Vergleich dieser Beobachtungen mit Vorhersagen eines globalen biogeochemischen Modells ergab einen auffälligen Unterschied: Zwar waren die Veränderungen in der Eisenbegrenzung über mehrere Zyklen hinweg mit der ENSO-Dynamik kohärent. Doch das Modell überschätzte die Auswirkungen der Eisenbeschränkung im Phytoplankton im Gegensatz zu den Feldbeobachtungen um das Doppelte. Folglich können synoptische Beobachtungen der Nährstoffbegrenzung durch Satelliten der Schlüssel zur Validierung und Verbesserung solcher Modelle sein – und Vorhersagen künftiger Auswirkungen des Klimawandels auf die Ökosysteme im Ozean verbessern.

„Diese ersten Ergebnisse zeigen, wie Satellitenbeobachtungen uns helfen können, die Auswirkungen der Nährstoffbegrenzung auf das Phytoplankton und seine wichtige Rolle im globalen Ozean und in unserem Klimasystem zu bewerten“, betont Dr. Browning. „Unsere Studie konzentrierte sich jedoch auf den äquatorialen Pazifik. Im Rahmen des neuen ERC-Projekts ‚Ocean Glow‘ wollen wir dies für alle Regionen des Ozeans in viel robusterer Weise validieren.“

Hintergrund: „Ocean Glow“
Das kürzlich gestartete Projekt „Ocean Glow“ zielt darauf ab, das Potenzial für die globale Beobachtung der Nährstoff-Begrenzung im Ozean mit Hilfe von satellitengestützten Phytoplankton-Fluoreszenzsignalen zu untersuchen. Es wird von Dr. Thomas Browning, Meeresbiologe und Chemiker am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (Deutschland), geleitet und durch einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) in Höhe von 1,5 Millionen Euro unterstützt.

Projekt-Förderung:
Die Forschung wurde größtenteils durch die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekte „Eq-Pac co-limitation“ und „OceanLight“ ermöglicht.

Original-Publikation:
Browning, T.J., Saito, M.A., Garaba, S.P, Wang, X., Achterberg, E.P., Moore, M., Engel, A., Mcllvin, M.R., Moran, D., Voss, D., Zielinski, O., Tagliabue, A. (2023): Persistent equatorial Pacific iron limitation under ENSO forcing. Nature, doi: doi.org/10.1038/s41586-023-06439-0,
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06439-0,
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06439-0.pdf.

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Quelle: JGU 27. Oktober 2022.

27. Oktober 2022 – Die natürlichen Stoffkreisläufe zwischen der Biosphäre und der Atmosphäre sind für das Klimasystem der Erde von großer Bedeutung. Das bekannteste Beispiel dafür ist der Kreislauf des Kohlenstoffs zwischen der Atmosphäre, der Landbiosphäre und dem Ozean. Er ist wesentlich verantwortlich für lebensfreundliche mittlere Temperaturen an der Erdoberfläche. Aber auch andere Elementkreisläufe spielen eine wichtige Rolle, so zum Beispiel der des Schwefels. Es wird vermutet, dass durch die Freisetzung von Schwefelverbindungen durch Phytoplankton in die marine Atmosphäre Wasserdampf-Kondensationskeime entstehen und es damit zur Wolkenbildung kommt – und somit ein natürlicher Rückkopplungseffekt existiert, der letztlich die Erdoberflächentemperatur stabilisieren könnte. Jetzt hat ein internationales Forschungsteam ein weiteres Element identifiziert, das ebenfalls in Zusammenhang mit Meeresalgen steht und bemerkenswerte ineinandergreifende, zyklische Reaktionen in der marinen Atmosphäre zeigt – das Jod. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Jod gehört zu den Halogenen, eine Gruppe von Elementen, die in großen Mengen im Meerwasser vorkommen. Zwar ist die Jodkonzentration wesentlich geringer als zum Beispiel die Chlorkonzentration in Form von Meersalz, allerdings zeigt Jod einige chemische Besonderheiten. „Zunächst verläuft der Mechanismus ähnlich wie beim Schwefelkreislauf“, erklärt Prof. Dr. Thorsten Hoffmann von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Phytoplankton überführt im Meerwasser vorhandenes Jodat in Jodid, wahrscheinlich um Jodid als einfaches anorganisches Antioxidans zu nutzen und so die Zellwände der Meeresalgen zu schützen. Jodid reagiert an der Meeresoberfläche aber auch mit atmosphärischem Ozon und setzt dabei molekulares Jod frei. Dieses molekulare Jod bildet über eine Reihe von schnellen atmosphärischen Reaktionen Jodoxide, die ein außergewöhnlich hohes Potenzial zur Bildung von Aerosolpartikeln haben. „Diese Teilchen können zu größeren Partikeln heranwachsen und dann als Wolkenkondensationskerne dienen und damit die Wolkenbildung beeinflussen“, beschreibt Hoffmann den Prozess. „Allerdings ist bei Jod im Gegensatz zu Schwefel der Vorgang hier noch nicht zu Ende.“

Jod als Katalysator für Partikelneubildung?
In der PNAS-Studie zeigen die Autorinnen und Autoren, wie in den wachsenden atmosphärischen Partikeln aus den zuvor gebildeten Jodoxiden wieder molekulares Jod entsteht und in die Gasphase freigesetzt wird. „Soweit wir heute wissen, ist Jod das einzige Element, das nach der Freisetzung von der Erdoberfläche die Atmosphäre nicht wieder verlässt, sondern durch Redoxreaktionen in der Partikelphase wieder in die Gasphase zurückgeführt werden kann“, bemerkt Hoffmann, Professor am Department Chemie der JGU. Damit könnte Jod eine wichtige katalytische Rolle bei der Bildung von Wolkenkondensationskeimen spielen. Eine Reihe ungelöster Fragen bleibt, zum Beispiel wie menschliche Aktivitäten, die an verschiedenen Stellen in diesen Mechanismus eingreifen, den einzigartigen Stoffkreislauf des Jods im Erdsystem beeinflussen.

An der Arbeit waren außer Forschenden der JGU Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Technischen Hochschule Kaliforniens in Pasadena (Caltech) und der Universität Galway beteiligt.

Veröffentlichung:
Ru-Jin Huang et al.
Heterogeneous iodine-organic chemistry fast-tracks marine new particle formation
Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2. August 2022
DOI: 10.1073/pnas.2201729119
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2201729119

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