POLARSTERN - Log 3 - Bericht der Mikrobiogeochemie Arbeitsgruppe
Arbeitsgruppe Mikrobiogeochemie (ICBM Oldenburg)
BMBF-Blog Polarstern Expedition ARK XXIII/3
Mein Name ist Christian März, und ich bin wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Mikrobiogeochemie am Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg. Nachdem ich im Rahmen meiner Doktorarbeit schon einige Male mit dem Forschungsschiff Meteor auf den Weltmeeren unterwegs war, ist dies nun meine erste Fahrt mit der FS Polarstern. Also eine echte Premiere für mich! Ein weiterer Faktor, der diese Fahrt für mich so einmalig und spannend macht, ist die Tatsache, dass ich mit Meteor bisher vor allem in subtropischen und gemäßigten Breiten unterwegs war – und nun geht es mit dem weltweit leistungsfähigsten Forschungseisbrecher durch den Arktischen Ozean! Für die meisten Menschen, wie auch für mich, ein echtes Abenteuer… Und nicht zu vergessen, werden wir offenbar die ersten sein, die „die ganze Runde“ fahren. Also von Island durch die kanadische Nordwestpassage und die Beaufort-See in die Ostsibirische See, unser Hauptarbeitsgebiet - und von dort weiter durch die russische Nordostpassage und das Nordmeer zurück nach Bremerhaven.
Schwerelot im arktischen Sommer.
Weltreise um den Nordpol
Einmal um die Welt in 10 Wochen… eine wirklich besondere Erfahrung für uns alle, die wir diese Fahrt miterleben dürfen! Wir, das sind etwa 90 Personen, bestehend aus Besatzung und Wissenschaftlern verschiedener Fachrichtungen. Innerhalb dieses interdisziplinären und internationalen Teams, bestehend aus Biologen, Ozeanographen, Geophysikern, Geologen und Bathymetrikern (ich spreche hier natürlich sowohl von weiblichen als auch von männlichen Teilnehmern) aus Deutschland, Belgien, Russland, Kanada, Korea, Japan und den USA, stellen die Geologen mit 16 Personen die größte Gruppe. Wir Geologen sind an Bord eindeutig die größten Schmutzfinken, denn das Hauptziel unserer Arbeit ist die Untersuchung des feinen Tiefseeschlammes, der wie in den meisten Bereichen der Weltmeere auch hier in der Arktis den Meeresboden bedeckt. Um diesen Schlamm, den wir als Sediment bezeichnen, vom Meeresboden – und damit aus Wassertiefen von mehreren 1000 Metern - an Bord der Polarstern zu bringen, bedienen wir uns verschiedener Tricks. Um die fluffige und daher meist sehr empfindliche Sedimentoberfläche möglichst unbeschadet bergen zu können, kommen Großkastengreifer und Multicorer zum Einsatz – für die Gewinnung längerer, mehrere Meter langer Sedimentkerne werden Schwerelot und Kastenlot verwendet. Vereinfacht gesagt, funktionieren alle diese Geräte nach einem sehr simplen, fast schon steinzeitlichen Prinzip. Ein Rohr oder Kasten wird mit einem Gewichtssatz beschwert, an einem Stahlseil auf den Meeresboden gelassen, und das Gewicht drückt das Rohr oder den Kasten dann in den Meeresschlamm. Verschiedene Mechanismen sorgen dafür, dass Rohr oder Kasten nach unten verschlossen werden, damit das wertvolle Sediment beim Hochziehen nicht wieder herausrutscht. Einmal an Bord, werden die Sedimente dann sofort weiterverarbeitet, und zwar mit einer Vielzahl von Methoden. Ich möchte hier nun kurz darstellen, welche Aufgaben wir Geochemiker im Rahmen dieses Arbeitsprogramms haben.
Etliche Tausend Jahre Klimageschichte “lagern” in den Sedimentschichten im Meeresboden.
Die Geschichte im Schlamm
Als Geochemiker bin ich, zusammen mit meinem Kollegen Sebastian Eckert, hier an Bord unter anderem zuständig für die chemische Untersuchung des Schlammes, den wir vom Meeresboden hoch holen. Für die meisten Nicht-Geologen (auch hier an Bord) ist dieser Schlamm bestenfalls geeignet zum Basteln, Werfen und zum Auftragen von Gesichtsmasken; schlimmstenfalls ein Ärgernis, weil er an den Schuhen durch sämtliche Gänge und Räume getragen wird… Geologen jedoch betrachten diese zähe Pampe als ein sehr dickes Buch, in dem die Klimageschichte der Arktis überliefert ist, ein Archiv ihrer wechselnden geologischen Vergangenheit. Dieses Buch ist sozusagen in verschiedenen Sprachen geschrieben, und an der vollständigen Entschlüsselung seines Inhaltes sind verschiedene Fachrichtungen beteiligt. Sedimentologen untersuchen zum Beispiel Veränderungen in der Korngrösse des Sediments, Mikropaläontologen befassen sich mit den Überresten abgestorbener Tiere, Mineralogen betrachten Veränderungen in den Gehalten bestimmter Mineralpartikel. Wir Geochemiker gehen beim Entziffern dieses Erdgeschichts-Buches sogar noch einen Schritt weiter. Dieses Buch, bzw. die in ihm enthaltenen Informationen, können nach ihrer „Archivierung“ im Sediment verändert werden – bestimmte Informationen werden gelöscht, andere umgeschrieben, teilweise ganz neue erzeugt. Dies geschieht vor allem durch chemische Umwandlungsprozesse, die unter Beteiligung von zahllosen und hochspezialisierten Mikroorganismen ständig in den Ablagerungen aller Weltmeere ablaufen. Für die korrekte Interpretation der vergangenen und auch des aktuellen Klimawandel in der Arktis ist es aber wichtig, nur diejenigen Informationen herauszupicken, die auch wirklich mit Klimaschwankungen im Zusammenhang stehen. Schlimmstenfalls werden sonst aus den arktischen Ablagerungen Klimaschwankungen herausgelesen, wo überhaupt keine sind, andere werden möglicherweise übersehen. Daher bemühen wir uns, die biogeochemischen Veränderungen des Sediments nach dessen Ablagerung am Meeresgrund zu erfassen. Wie genau aber tun wir das?
Ein Großkastengreifer am Tropf: Rhizone saugen das Porenwasser aus dem Sediment.
Den Meeresboden aussaugen
Wichtig für unsere Arbeit ist, dass wir nicht nur das Sediment als solches betrachten – also die Mineralkörner, Sand, Ton, Überreste abgestorbener Tiere und Pflanzen. Auch zwischen diesen Sedimentpartikeln sind wichtige Informationen enthalten, nämlich im sogenannten Porenwasser. Meeresablagerungen sind verständlicherweise sehr wasserhaltig, und dieses Porenwasser liefert oft ein sehr aktuelles Bild, welche chemischen Reaktionen in diesen Ablagerungen gerade ablaufen. Daher müssen wir einen Weg finden, das Porenwasser aus dem Schlamm zu saugen. Wir tun dies mit einer recht eleganten Methode, mittels sogenannter Rhizone. Diese etwa 5 cm langen weissen Stäbchen werden in den Schlamm gesteckt, mit Hilfe einer Plastikspritze wird ein Unterdruck angelegt, und so langsam das Porenwasser extrahiert. So sehen manche Sedimentkerne, an denen alle 10 cm eine solche Spritze hängt, fast etwas bemitleidenswert aus… Am Ende haben wir etwa 0,01 Liter einer klaren Flüssigkeit, die alle gelösten Stoffe aus dem Meeresschlamm enthält, aber keine Sedimentpartikel. Dieses bisschen Porenwasser bildet dann die Grundlage zahlreicher chemischer Analysen, die wir entweder direkt an Bord oder zu Hause im Labor durchführen. Parallel zu diesen Porenwasserproben nehmen wir auch Proben des Sediments selbst, das gefroren und in Oldenburg auf seine chemische Zusammensetzung untersucht wird. Und auf diese Weise tragen wir hoffentlich ein Stück weit dazu bei, die Klimageschichte der Arktis, dieses wunderschönen, aber auch sehr sensiblen und für das Weltklima essentiellen Lebensraumes etwas besser zu verstehen.
Rüdiger Stein liest im Buch der Erdgeschichte.
Mangan: Klimaindikator oder Bakterienprodukt?
Ein konkretes Problem, das wir im Rahmen dieser Fahrt in den Griff bekommen wollen, ist die Frage nach den sogenannten Mangan-Zyklen im Arktischen Ozean. Mangan ist ein chemisches Element, dass dem Eisen nicht unähnlich ist. Es tritt in Ablagerungen der tiefen arktischen Meeresbecken in Form schokoladenbrauner Lagen auf, die in Farbe und Konsistenz sehr an Nuss-Nougat-Creme erinnern (leider nicht im Geschmack…). Diese etwa 10 bis 30 cm dicken braunen, manganreichen Lagen sind eingebettet in meist gelbliche bis graue Ablagerungen, und die von uns gewonnenen Sedimentkerne bieten daher auch durchaus etwas fürs Auge. Die Mangan-Lagen haben aber auch einen ganz konkreten wissenschaftlichen Nutzen: Laut einiger Experten scheint, vereinfacht ausgedrückt, ein Zusammenhang zwischen dem Auftreten dieser Lagen im Sediment und einem wärmeren Klima in der Arktis zu bestehen. Andere Experten aber sind der Ansicht, dass diese Mangan-Lagen nicht Klimaschwankungen dokumentieren, sondern durch mikrobiell angetriebene chemische Reaktionen im Meeresschlamm erst nach dessen Ablagerung entstanden sind. Mit Hilfe unserer Porenwasser- und Sediment-Proben versuchen wir nun zu ermitteln, welche der Expertenmeinungen die Richtige ist – oder ob möglicherweise beide Ansichten bis zu einem gewissen Grad korrekt sind. Da diese Mangan-Lagen in Ablagerungen der gesamten Arktis auftreten, hoffen wir, dass unsere Arbeit somit zum besseren Verständnis der arktischen Klimageschichte insgesamt beitragen können.
Geologen und ihre Beute.
Das ScienceLog POLARSTERN ist eine Kooperation des Alfred-Wegener-Instituts für Polar-und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft mit planeterde.de.
