Sauerstoffarme „Todeszonen“ im Ozean, in denen Fische und Tiere nicht überleben können, haben sich seit mehreren Jahrzehnten im offenen Ozean und in den Küstengewässern als Folge menschlicher landwirtschaftlicher und industrieller Aktivitäten ausgebreitet. Bei dem Versuch, das Ausmaß und die Lage zukünftiger Todeszonen vorherzusagen, haben Wissenschaftler in der Vergangenheit nach historischen Hinweisen gesucht.
Die heute größte Totzone im offenen Ozean, die sich im östlichen Pazifik befindet, entstand vor 8 Millionen Jahren als Folge des zunehmenden Nährstoffgehalts im Ozean, berichtet ein internationales Team von Wissenschaftlern heute in der Proceedings of the National Academy of Sciences.
Während die Quellen der Nährstoffanreicherung heute anders sein mögen, bleibt die Mechanik, die das geschaffen hat, was Wissenschaftler „Sauerstoffmangelzonen“ nennen, gleich, so Xingchen „Tony“ Wang, Assistenzprofessor für Erd- und Umweltwissenschaften am Boston College, ein Hauptautor des Bericht. Ein besseres Verständnis der toten Zonen der Ozeane aus der Vergangenheit kann zukünftigen Bemühungen zum Schutz der Ozeane helfen.
„Um die Meeresökosysteme besser zu schützen und die Fischerei zu verwalten, ist es entscheidend vorherzusagen, wie sich eine ‚Todeszone‘ im Ozean in Zukunft entwickeln wird“, sagte Wang.
Eine tote Zone an der Küste des Ozeans wird hauptsächlich durch den Fluss überschüssiger Nährstoffe verursacht, die Menschen an Land verwenden, z. B. durch Düngemittelanwendung. Im nördlichen Golf von Mexiko erzeugen anthropogene Nährstoffe, die vom Mississippi geliefert werden, jährlich eine Totzone, die so groß ist wie der Bundesstaat New Jersey.
Diese Zonen kommen auch natürlich im offenen Ozean vor, wobei die größten im östlichen Pazifik gefunden werden. „Es bleibt unklar, wie sich diese Todeszonen verändern werden, wenn sich der Planet erwärmt. Also haben wir die Geschichte der Todeszone im Ostpazifik untersucht, um ihr zukünftiges Verhalten besser vorhersagen zu können“, sagte Wang.
Die Forscher von Universitäten in den USA, Kanada, Taiwan, Deutschland und Australien machten sich daran, die Entwicklung toter Zonen im offenen Ozean zu bestimmen, bevor menschliche Aktivitäten begannen, den Ozean zu beeinflussen, sagte Wang. Gab es diese toten Zonen außerdem schon immer? Wenn ja warum?
Das Team untersuchte die chemische Zusammensetzung von Ozeansedimenten in der Nähe der heute größten „toten Zone“ der Ozeane im östlichen Pazifik. Das Team erhielt Sedimentproben – die „Geschichtsbücher“ der Meeresaktivität – die 12 Millionen Jahre zurückreichen und analysierte Stickstoff, der in Mikrofossilien enthalten ist, die als Foraminiferen bekannt sind.
Das Team suchte in den toten Zonen nach Anzeichen von Denitrifikation, die auftritt, wenn der Sauerstoffgehalt so niedrig ist, dass Mikroben stattdessen Nitrat verwenden, um ihre biologische Aktivität anzutreiben. Stickstoff hat zwei stabile Isotope, Stickstoff-14 und Stickstoff-15, und Mikroben ziehen es vor, das leichtere Isotop von Stickstoff-14 während der Denitrifikation zu verbrauchen.
Wenn sich sauerstoffarme Zonen ausdehnen, dehnen sich auch die Denitrifikationszonen aus und erhöhen das Verhältnis von Stickstoff-15 zu Stickstoff-14 des verbleibenden Nitrats, das dann in Meeresorganismen wie Foraminiferen durch den Stickstoffkreislauf in den Meeresökosystemen erfasst wird, so der Bericht .
„Durch die Analyse des Stickstoff-15-zu-Stickstoff-14-Verhältnisses von Foraminiferen in Ozeansedimenten können wir die Geschichte des Ausmaßes von Zonen mit Sauerstoffmangel rekonstruieren“, sagte Wang.
Darüber hinaus analysierten die Forscher den Phosphor- und Eisengehalt derselben Sedimente, die dem Bericht zufolge den alten Nährstoffgehalt im tiefen Pazifik enthüllen.
„Der Nährstoffgehalt der Tiefsee ist schwer zu rekonstruieren, und unsere Aufzeichnungen sind die ersten ihrer Art in den letzten 12 Millionen Jahren; ihre Trends haben wichtige Auswirkungen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf und den Klimawandel“, sagte Woodward W. Fischer, Co- Autor der Studie und Professor am California Institute of Technology.
Die Sedimentaufzeichnungen zeigten dem Team, dass sich die größten toten Zonen des offenen Ozeans in den letzten 8 Millionen Jahren allmählich ausgeweitet haben, sagte Wang, der an dem Projekt von Kollegen des Max-Planck-Instituts für Chemie der Princeton University, der National Taiwan University und der University of Taiwan begleitet wurde Toronto, Texas A&M University, University of Western Australia und Caltech.
„Außerdem wurde die Ausdehnung dieser toten Zonen hauptsächlich durch Nährstoffanreicherung verursacht“, sagte er. „Dieser Mechanismus ähnelt der Entstehung toter Zonen in heutigen Küstengewässern, nur dass der Mensch für die aktuelle Nährstoffanreicherung verantwortlich ist.“
Diese Erkenntnisse könnten dem Bericht zufolge dazu beitragen, das zukünftige Verhalten von Todeszonen im offenen Ozean besser vorherzusagen. Zum Beispiel haben menschliche Aktivitäten dem Ozean immer mehr Stickstoff hinzugefügt. Sie können die Notwendigkeit unterstützen, Klima- und Ozeanmodelle zu verbessern, um die Auswirkungen des anthropogenen Stickstoffs auf die Desoxygenierungsprozesse im offenen Ozean besser abschätzen zu können.
Die Forscher waren beeindruckt von Daten, die einen viel geringeren Nährstoffgehalt im Ozean vor 8 Millionen Jahren zeigten.
„Der Nährstoffanstieg seit vor 8 Millionen Jahren wurde wahrscheinlich durch zunehmende Verwitterung und Erosion an Land verursacht, was die Phosphorzufuhr in den Ozean erhöhen würde“, sagte Fischer.
„Darüber hinaus durchliefen terrestrische Ökosysteme vor 8 bis 6 Millionen Jahren einen großen Wandel“, sagte Wang. „Viele Wälder wurden durch weniger dichtes Grasland ersetzt, bekannt als die Ausdehnung von C4-Ökosystemen. Mit mehr Grasland hätte die Bodenerosion in dieser Zeit möglicherweise zugenommen und eine größere Übertragung organischer Nährstoffe in den Ozean ausgelöst.“
Wang sagte, dass ein wahrscheinlicher nächster Schritt in dieser Forschung darin bestehen würde, zu bestimmen, wie der Stickstofffluss in den Ozean durch menschliche Aktivitäten den Nährstoffkreislauf des Ozeans beeinflussen kann.
„Die Schlüsselfragen liegen in unseren Küstenzonen, wo der anthropogenste Stickstoff in den Ozean gelangt“, sagte Wang. „Wenn der Großteil des anthropogenen Stickstoffs in Küstenregionen entfernt wird – im Wesentlichen durch Denitrifikation in den Sedimenten –, dann könnte dies die Auswirkungen auf den gesamten Ozean verringern Verstehen Sie das Schicksal des anthropogenen Stickstoffs im Ozean.“
Mehr Informationen:
Xingchen Tony Wang, Ozeanischer Nährstoffanstieg und die spätmiozäne Entstehung pazifischer Sauerstoffmangelzonen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204986119. doi.org/10.1073/pnas.2204986119