Die wichtige Rolle des Südpolarmeers in globalen biologischen Prozessen und im Kohlenstoffkreislauf wurde erneut bestätigt durch eine Studie veröffentlicht In Wissenschaft das erstmals auf der Grundlage von Feldstudien die unterschätzte Rolle anorganischer Zinkpartikel (Zn) in diesen Zyklen aufzeigt.
Der Südliche Ozean spielt die größte Rolle bei der globalen Phytoplanktonproduktivität, die für die Absorption von Kohlendioxid aus der Atmosphäre verantwortlich ist. In diesen Prozessen ist Zn, das in Spuren im Meerwasser vorhanden ist, ein essentieller Mikronährstoff, der für viele biochemische Prozesse in Meeresorganismen und insbesondere für polare Phytoplanktonblüten von entscheidender Bedeutung ist.
Wenn Phytoplanktonblüten absterben, wird Zn freigesetzt. Bislang waren die Wissenschaftler jedoch ratlos, da es eine Diskrepanz zwischen Zn und Phosphor gab, einem anderen Nährstoff, der für das Leben in den Ozeanen unerlässlich ist, obwohl beide Nährstoffe im Phytoplankton in ähnlichen Regionen vorkommen. Stattdessen ist oft eine starke (aber unerklärliche) Kopplung zwischen Zn und gelöster Kieselsäure zu beobachten.
Prof. Alakendra Roychoudhury, Spezialist für Umwelt- und Meeresbiogeochemie an der Universität Stellenbosch (SU) und Co-Autor des Artikels, sagt, sie könnten nun zum ersten Mal die biogeochemischen Prozesse, die den Zn-Kreislauf der Ozeane antreiben, mit Sicherheit erklären.
Seit 2013 hat Roychoudhurys Forschungsgruppe im Fachbereich Geowissenschaften der SU an drei Expeditionen des südafrikanischen Polarforschungsschiffs SA Agulhas II teilgenommen. Auf dem Weg in die Antarktis durchquerte das Team im Sommer wie im Winter den riesigen Südpolarmeer und sammelte Meerwasserproben von der Oberfläche und aus der Tiefe des Ozeans sowie Sedimente.
Dr. Ryan Cloete, Co-Erstautor der Studie und derzeit Postdoktorand am Labor für Meeresumweltwissenschaften (LEMAR) in Frankreich, nahm an zwei dieser Expeditionen teil. „Die Erforschung des Südpolarmeers ist so wichtig, da es als zentraler Knotenpunkt für die globale Meereszirkulation fungiert. Prozesse, die im Südpolarmeer stattfinden, prägen die Wassermassen, die dann in den Atlantik, den Indischen Ozean und den Pazifischen Ozean transportiert werden“, erklärt er.
In Zusammenarbeit mit Forschern der Princeton University, der Universitäten von Chicago und Kalifornien, Santa Cruz sowie dem Max-Planck-Institut für Chemie wurden die Proben einer detaillierten Partikel-für-Partikel-Analyse unterzogen. Dabei kamen Röntgenspektroskopietechniken in einer Synchrotronanlage zum Einsatz, die es ihnen ermöglichte, die Proben auf atomarer und molekularer Ebene zu untersuchen.
Die Ursachen des globalen Zinkkreislaufs in unseren Ozeanen entschlüsseln
Im Sommer scheint eine höhere Produktivität zu einem höheren Zinkvorkommen im organischen Anteil der Meeresoberfläche zu führen, das dann leichter vom Phytoplankton aufgenommen werden kann. Die Forscher fanden in diesen Proben jedoch auch hohe Zinkkonzentrationen, die mit Ablagerungen aus Gestein und Erde sowie mit atmosphärischem Staub in Zusammenhang stehen.
Im offenen Ozean ist das Zusammenspiel zwischen der Bindung und Dissoziation von Zn-Partikeln von entscheidender Bedeutung für die Wiederauffüllung des gelösten Zn zur Erhaltung des Meereslebens.
Cloete erklärt: „Aufgrund der schlechten Wachstumsbedingungen im Winter werden Zn-Partikel buchstäblich von anorganischen Feststoffen wie Kieselsäure, die in Form von Kieselalgen in großen Mengen vorhanden ist, sowie von Eisen- und Aluminiumoxiden ‚aufgefressen‘. Kieselalgen sind Mikroalgen – einzellige Organismen mit Skeletten aus Kieselsäure – was die starke Verbindung zwischen Zn und Kieselsäure in den Ozeanen erklärt.“
Mit anderen Worten: Wenn Zn an einen organischen Liganden gebunden ist, kann es leicht von Meereslebewesen wie Phytoplankton aufgenommen werden. Zn in einer mineralischen Phase löst sich jedoch nicht leicht auf und ist daher nicht leicht für die Aufnahme verfügbar. In dieser Form kann partikuläres Zn große Aggregate bilden und in die Tiefsee sinken, wo es für die Aufnahme durch Phytoplankton nicht mehr verfügbar ist.
Auswirkungen auf den Klimawandel
Dieses Verständnis des globalen Zinkkreislaufs hat wichtige Auswirkungen im Zusammenhang mit der Erwärmung der Ozeane, warnt Roychoudhury. „Ein wärmeres Klima erhöht die Erosion, was zu mehr Staub in der Atmosphäre führt und folglich mehr Staub in den Ozeanen ablagert. Mehr Staub bedeutet mehr Abtransport von Zinkpartikeln, was dazu führt, dass weniger Zink zur Verfügung steht, um Phytoplankton und anderes Meeresleben zu erhalten.“
Cloete sagt, ihr neuartiger Ansatz zur Untersuchung des ozeanischen Zinkkreislaufs eröffne nun die Tür zur Untersuchung anderer wichtiger Mikronährstoffe. „Wie bei Zink könnte auch die Verteilung von Kupfer, Cadmium und Kobalt in Zukunft klimabedingte Veränderungen erfahren“, sagte Cloete.
Für Roychoudhury bestätigen die Ergebnisse den globalen Einfluss des Südpolarmeers auf die Regulierung des Klimas und der marinen Nahrungskette.
„Das Erdsystem ist durch physikalische, chemische und biologische Prozesse mit selbstkorrigierenden Rückkopplungsschleifen eng miteinander verbunden, um die Variabilität zu modulieren und den Klimawandel zu verhindern. Unsere Ergebnisse sind ein Paradebeispiel für diese Kopplung, bei der biochemische Prozesse auf molekularer Ebene globale Prozesse wie die Erwärmung unseres Planeten beeinflussen können“, sagte Roychoudhury.
Mehr Informationen:
J. Duan et al., Biogener-lithogener Übergang von partikulärem Zn beeinflusst den Zn-Kreislauf im Südpolarmeer, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.adh8199. www.science.org/doi/10.1126/science.adh8199