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22.03.2021

Sedimente als Nährstoff-Vermittler in arktischen Fjorden

Studie des GEOMAR und der Universität Tübingen zeigt komplexes Wechselspiel zwischen Gletschern und dem Meeresboden

Zwei Wissenschaftler nehmen in einem Fjord in Spitzbergern Sedimentproben. — Katja Laufer-Meiser vom GEOMAR (links) nimmt zusammen mit Hans Røy vom Center for Geomicrobiology Aarhus, Dänemark, in einem Fjord in Spitzbergern Sedimentproben.

Gletscher, die an arktischen Küsten bis ins Wasser reichen, gelten als wichtige Nährstoffquelle für Phytoplankton in der Region. Im Zuge des Klimawandels ziehen sich aber viele Gletscher aufs Land zurück. Wird dadurch auch die Nährstoffzufuhr für den Ozean geringer? Eine neue Studie unter Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel und Beteiligung der Universität Tübingen, die in der internationalen Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, zeigt, dass der Zusammenhang deutlich komplexer ist als bisher vermutet. Der Meeresboden vor den Gletschern spielt eine wichtige Vermittlerrolle.

Algen und andere Fotosynthese treibende Organismen im Meer sind zwar oft winzig, sie spielen aber eine große Rolle im Klimasystem der Erde. Sie binden gewaltige Mengen an Kohlenstoff und produzieren dabei rund die Hälfte des Sauerstoffs in der Atmosphäre. Um zu gedeihen, benötigt dieses sogenannte Phytoplankton neben Licht und Kohlenstoff auch Nährstoffe. Einer davon ist Eisen, das im Ozean allgemein selten ist. Im Umkehrschluss bedeutet das: Existiert irgendwo eine Eisenquelle, kann sich auch das Phytoplankton gut vermehren.

Suche nach der Herkunft des Eisens

Zwei Wissenschaftler bearbeiten Sedimentproben aus den Fjorden Spitzbergens unter sauerstofffreier Atmosphäre. — Noch vor Ort bearbeiten Katja Laufer-Meiser vom GEOMAR und ihr Kollege Alexander B. Michaud vom Bigelow Laboratory for Ocean Sciences (Maine, USA) Sedimentproben aus den Fjorden Spitzbergens unter sauerstofffreier Atmosphäre.

Speziell in der Arktis sind Gletscher, die bis ins Meer reichen, eine wichtige Quelle von Eisen. Ausgerechnet die Gletscher verändern sich im Zuge des Klimawandels aber sehr schnell. Welche Auswirkungen wird das auf die Verfügbarkeit des Nährstoffs Eisen in arktischen Gewässern und damit das Phytoplanktonwachstum haben? Dieser Frage ist ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel nachgegangen.

„Dabei konnten wir am Beispiel mehrerer Fjorde auf Spitzbergen zeigen, dass nicht nur die Gletscher selbst, sondern auch die Sedimente am Boden der Fjorde eine wichtige Rolle dabei spielen, ob potenziell von Phytoplankton nutzbares Eisen vorhanden ist oder nicht“, erklärt Dr. Katja Laufer-Meiser vom GEOMAR. Sie ist Erstautorin der Studie, die jetzt in der internationalen Fachzeitschrift Nature Communications erschienen ist. Die spektrokopischen Analysen der Eisen- und Mineralphasen sowie die Interpretation dieser Daten übernahmen die Geomikrobiologen Dr. Markus Maisch und Professor Andreas Kappler vom Zentrum für Angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen.

Frühere Studien zu diesem Thema haben sich vor allem mit dem direkten Effekt der Gletscher auf das Wasser der Fjorde und damit den angrenzenden Ozean beschäftigt. „Unsere Untersuchungen zeigen aber, dass das Eisen, das aus dem Gletschereis ins Wasser gelangt, vom Phytoplankton größtenteils nicht genutzt werden kann“, erläutert Dr. Laufer-Meiser. Es lagert sich zunächst in kristalliner Form in den Sedimenten am Grund der Fjorde ab.

In den Sedimenten sorgen Mikroorganismen und chemische Prozesse dann dafür, dass ein Teil des eingelagerten Eisens in Formen überführt wird, die doch als Nährstoff nutzbar sind. Aus den oberen Sedimentschichten gelangt dieses Eisen wieder ins Wasser. „Überraschenderweise fanden wir die größten Konzentrationen an Nährstoff-Eisen in den Sedimenten nicht direkt an den Gletscherzungen, sondern weiter draußen im Fjord“, berichtet Dr. Laufer-Meiser, „das ist so bislang noch nicht nachgewiesen worden und es war das Gegenteil von dem, was wir erwartet hatten.“

Wenig Ablagerungen in äußeren Bereichen

Die Autorinnen und Autoren der Studie erklären sich diesen Befund damit, dass in den äußeren Fjordbereichen weniger Material am Meeresboden abgelagert wird. Da die Eisenumwandlung vor allem in den obersten Meeresbodenschichten stattfindet, bleibt hier mehr Zeit, bevor jüngeres Material das Eisen zudeckt. Außerdem sind die biologischen als auch abiotischen Umwandlungsprozesse in den äußeren Fjordbereichen offenbar stärker als in der Nähe der Gletscher.

Die Studie zeigt also, dass auch die Sedimente eine wichtige Quelle von potenziell bioverfügbarem Eisen sind. Ebenso fand die Studie Hinweise darauf, dass ein Rückzug der Gletscher aufs Land nicht nur die direkte Nährstoffzufuhr durch die Gletscher selbst verändert, sondern auch die Prozesse in den Sedimenten dadurch beeinflusst werden. Es ist bereits bekannt, dass durch den Rückzug der Gletscher Phytoplankton weniger Wachstum zeigt und dadurch ganze Fjordökosysteme weniger produktiv werden. In der Studie konnte gezeigt werden, dass dieser Prozess auch dazu führt, dass die mikrobiellen und abiotischen Prozesse in den Fjordsedimenten verändert werden. „Das führt dazu, dass weniger potenziell bioverfügbares Eisen in die oberen Sedimentschichten gelangt, was einen weiteren negativen Rückkopplungsmechanismus darstellt und somit die Effekte des Klimawandels verstärken kann“, fasst die Erstautorin zusammen.

Quelle: Pressemitteilung des GEOMAR – Helmholtz-Zentrum für Ozean-Forschung Kiel

Grafik zum aktuellen Gletscher-Zustand — Aktueller Zustand: Der Gletscher reicht bis ins Wasser der Fjorde Spitzbergens. Aus dem Sediment werden Nährstoffe verfügbar.

Grafik mit Zukunftsszenario des Gletschers — Zukunftsszenario: Der Gletscher endet an Land oberhalb der Wasseroberfläche der Fjorde Spitzbergens. Die nährstoffhaltigen Sedimente werden zugedeckt und sind im Wasser nicht verfügbar.

Originalarbeit

Laufer-Meiser, K., A. B. Michaud, M. Maisch, J. M. Byrne, A. Kappler, M. O. Patterson, H. Røy & B. B. Jørgensen (2021): Potentially bioavailable iron produced through benthic cycling in glaciated Arctic fjords of Svalbard. Nature Communications 12, 1349 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21558-w

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