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Logbuch MSM 79

Die Expedition 79 mit dem Forschungsschiff MARIA S. MERIAN enthält zwei Fahrtabschnitte, deren Forschungsaktivitäten sich auf den organischen Kohlenstoff konzentrieren: EUROTHAW (Edinburgh - Las Palmas) und MACPEI (Las Palmas - Mindelo). Während der ersten Etappe werden Sedimentkerne gesammelt, die so genannten alten Kohlenstoff enthalten, der durch das Auftauen der europäischen Tundra nach der letzten Eiszeit in den Ozean abgegeben wird.

Die zweite Etappe MACPEI wird sich auf die nun aktiven Prozesse der marinen biologischen Pumpe konzentrieren – den Prozess, bei dem Kohlenstoffdioxid in organischen Kohlenstoff umgewandelt, durch sinkende Partikel exportiert und schließlich in der Tiefsee isoliert wird. Forschungsgruppen des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen, der University of Westminster (London, Großbritannien), des Alfred-Wegener-Instituts Bremerhaven und des Royal Netherlands Institute for Sea Research (Texel, Niederlande) werden gemeinsam die Produktion und den Eintrag von organischem Kohlenstoff im Meer untersuchen. Darüber hinaus werden die Prozesse des Transports organischer Partikel durch die Wassersäule, deren Abbau und Ablagerung im Meeresboden untersucht.

1. Dezember: Die Suche nach den Partikelwolken

In dem Auftriebsgebiet vor Westafrika ist mächtig was los! Die von Norden am Kontinent vorbeiziehenden Strömungen sorgen für den Auftrieb von tiefen Wassermassen, die so ihre Nährstoffe mit nach oben bringen. Für die mikroskopisch kleinen Organismen, die im lichtdurchlässigen Bereich der Wassersäule leben, ist das wie eine riesige Düngerpumpe! Doch während sich diese Organismen nah am Licht pudelwohl fühlen, gehen im dunklen und verborgenen Teil des Meeres andere, geheimnisvolle Dinge vor.

In verschiedenen Tiefen lösen sich vom Kontinent kommend Lagen von Partikeln, die wie riesige Unterwasserwolken dahinziehen. Und wie Wolken verändern sich auch diese Partikellagen: mal ziehen sie etwas höher, mal etwas tiefer und mal ein bisschen weiter ins offene Meer hinaus. Noch geheimnisvoller sind diese trüben Partikellagen, weil wir nicht wissen, was da eigentlich so alles an Partikeln mitschwimmt. Zuerst müssen wir wissen, wie die top-aktuelle Position unserer Partikelwolken ist. Dazu schicken wir ein Gerät (CTD) in die Tiefe. Es zeigt uns, was dort passiert, indem es den Sauerstoffgehalt im Wasser, die Partikeldichte und die Temperatur misst. Während die CTD unter Wasser für uns „Augen und Ohren“ spielt, sitzen wir ganz gespannt vor dem Computer und identifizieren anhand der Messwerte die Tiefe der Partikellage.

Ausbeute einer CTD-Fahrt: 240 Liter Wasser, die gefiltert werden wollen. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Ausbeute einer CTD-Fahrt: 240 Liter Wasser, die gefiltert werden wollen. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Ein Mitarbeiter filtriert das Wasser in 250 Millimeter-Schritten. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Ein Mitarbeiter filtriert das Wasser in 250 Millimeter-Schritten. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

Ist die Partikellage gefunden, können wir mit großen Flaschen, die mit der CTD nach unten fahren, bis zu 240 Liter Wasserproben nehmen und erhalten so unsere eigenen Proben der Partikelwolken. Um die Partikel aus dem Wasser zu filtern, benutzen wir eine kleine Vakuumfiltrationsanlage. Auf diese müssen wir immer fleißig Wasser nachgießen, um genau zu messen, welche Mengen an Wasser mit nach oben geholt wurden. So können wir später die genauen Konzentrationen von organischem Kohlenstoff bestimmen. Neben der CTD setzen wir zur Probengewinnung auch Wasserstaubsauger (so genannte In-situ Pumpen) ein, die wir übereinander an einem Drahtseil in unterschiedliche Wassertiefen hängen. Dort pumpen diese für eine vorgegebene Zeit große Mengen Wasser auf zwei große Filter.

 

Die Filter mit den Partikeln frieren wir ein und nehmen sie mit in unser High-Tech-Laboren am MARUM und Alfred Wegener Institut (Awi) in Bremerhaven. Am AWI bestimmen wir die chemische Zusammensetzung und das genaue Radiokarbonalter der verschiedenen organischen Komponenten in den Partikellagen um so etwas über ihre Herkunft und die Verweildauer im Meer zu erfahren. Dies hilft uns mehr über die verschiedenen Prozesse in der Wassersäule und das Schicksal von Partikeln im Meer herauszufinden.

Testeinsatz einer in-situ Pumpe Prototyp
Testeinsatz einer in-situ Pumpe Prototyp "Totti". Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

25. November: Von sehr großen Wassermassen und mikroskopisch kleinen Mikroben

Sandra Petrow, Doktorandin in der AG Marine Archaeen am MARUM, beim Aufkonzentrieren des Meerwassers im Hangar der Maria S. Merian. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Sandra Petrow, Doktorandin in der AG Marine Archaeen am MARUM, beim Aufkonzentrieren des Meerwassers im Hangar der Maria S. Merian. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

Ausgestattet mit Sonnencreme mit einem Sooenschutzfaktor von mindestens 30 und reichlich Equipment sind wir als Gruppe – bestehend aus Mikrobiologen und Geochemikern vom MARUM – in Las Palmas an Bord der MARIA S. MERIAN gegangen, um eine der kleinsten und häufigsten Lebensformen unserer Erde zu studieren. 

Diese selbst für Mikroorganismen als Zwerge wirkende Lebewesen aus der taxonomischen Gruppe der Archaea sind kleiner als ein Tausendstel eines Millimeters und erfüllen trotzdem sehr wichtige Funktionen in den marinen Stoffkreisläufen.

Aufgrund ihrer enormen Häufigkeit findet man diese Archaeen quasi in jedem Tropfen des Ozeans. Statt Burger oder Veggie-Bratling ernähren sie sich von Ammonium, das beim Abbau von organischem Material entsteht. Ihre Biomasse bauen die sogenannten Ammonium-oxidierenden Archaeen, genau wie photosynthetische (Nutzung des Lichts zur Energiegewinnung) Pflanzen und Algen, aus Kohlendioxid auf.

Auf dieser Reise interessiert uns nun, wie fleißig diese Archaeen eigentlich im Ozean sind und wieviel Kohlendioxid durch diese Chemosynthese (Energiegewinnung aus chemischen Reaktionen) in den dunklen Tiefen des Wassers gebunden wird. Um diese Mikroben untersuchen zu können, benötigen wir für unsere Experimente richtig viel Wasser (200 Liter pro Experiment), das wir mit Hilfe einer Wassersammler-Rosette aus unterschiedlichen Wassertiefen an Bord holen. Durch spezielle Filterverfahren konzentrieren wir unsere Archaeen auf, sodass sich die Mikroben aus 200 Litern Meerwasser letztendlich in 15 Litern befinden. Die Archaeen ziehen also vom Mehrfamilien- in ein Einfamilienhaus, damit wir sie besser untersuchen können. Um den Umsatz von Ammonium und Kohlendioxid nachverfolgen zu können, setzen wir isotopisch-markierte Substrate ein, die während des Wachstums der Mikroben in die Zellen eingebaut werden oder als Abbauprodukt im Meerwasser nachweisbar sind.

Während diese Wachstumsexperimente über die Dauer der Fahrt MSM79 an Bord stattfinden, können die aufwendigen Analysen erst zurück in Bremen durchgeführt werden. Obwohl wir gespannt wie ein Flitzebogen sind, wissen wir erst dann, wie erfolgreich unsere Ausfahrt war und wie hoch die Chemosyntheserate unserer kleinen Archaeen in den großen Wassermassen des Atlantiks sind.

Charlotte Decker, Frederik Lange, Sandra Petrov, Marcus Elvert und Martin Könneke

Wassersammler-Rosette beim Einsatz auf der MARIA S. MERIAN. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Wassersammler-Rosette beim Einsatz auf der MARIA S. MERIAN. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Inkubation-Experiment zur Chemosynthese von marinen Archaeen in 20 Liter Flaschen, natürlich im Dunkeln. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Inkubation-Experiment zur Chemosynthese von marinen Archaeen in 20 Liter Flaschen, natürlich im Dunkeln. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

21. November: Seltene Mikroorganismen

Dinoflagellat Dinophysis caudata
Dinoflagellat Dinophysis caudata
Diatomee Planktoniella sol.
Diatomee Planktoniella sol.

Auftriebsregionen sind wichtige, produktive Gebiete im Weltmeer. Es sind Orte, an denen Nährstoffe durch eine vertikale Strömung an die Meeresoberfläche gebracht werden, so dass das pflanzliche Plankton (Phytoplankton) bei viel Licht extrem gut wachsen kann. Derzeit befinden wir uns vor der Nordwestküste Afrikas und untersuchen dort das Auftriebssystem. Ein Teil unserer Arbeit ist die Untersuchung des Phytoplanktons. Es gibt viele Phytoplanktonarten, die im offenen Ozean zu finden sind. Meistens sind sie kleiner als 0,1 Millimeter.

Die Vielfalt ist sehr groß, und die Arten ändern sich, wenn wir uns innerhalb der Auftriebsregion bewegen. Wie andere Tiefseeorganismen sind die Arten und Formen des Planktons seltsam, sie passen sich in vielerlei Hinsicht fantastisch an ihren jeweiligen Lebensraum an. 

Dinoflagellat Histioneis crateriformis
Dinoflagellat Histioneis crateriformis
Dinoflagellat Histioneis cymbalaria
Dinoflagellat Histioneis cymbalaria

Wir finden viele unbekannte Arten, darunter einige aus der Dinoflagellaten-Gattung Histioneis. Seit 1883 wurden einige 100 Arten beschrieben, obwohl viele nur von einzelnen Exemplaren stammen. Daher haben wir noch viel zu tun, um mehr über die Verwandtschaften in dieser Gattung zu erfahren.

Denn: Über diese weitgehend subtropischen bis tropischen Ozeanbewohner ist nur wenig bekannt. Dieser merkwürdige Dinoflagellat enthält keine Chloroplasten zur Photosynthese, sondern überlebt, indem er seine Nahrung auf andere Weise findet. Dies ist eine Herausforderung, der sich Histioneis gestellt hat, indem er eine Kammer in seinen Körper eingebaut hat, in der blaugrüne Bakterien als Symbionten untergebracht werden können. Auf diese Weise scheint es, dass er einen Großteil (wenn nicht alles) seiner Nahrung geliefert bekommt.

Eine der bemerkenswerten Eigenschaften der Gattung sind die durchdachten Flügel und Auswüchse des Körpers. Es wird angenommen, dass ein solcher Auswuchs eine Anpassung darstellt, damit Zellen an einer günstigen Stelle in der Wassersäule bleiben, ohne in die Tiefe zu sinken. Im Fall von Histioneis spekulieren Wissenschaftler auch, dass diese Auswüchse dazu beitragen, das Wasser zu den symbiontischen Bakterien zu bringen.

Jane Lewis und Gerard Versteegh      

Dinoflagellat Ceratium horridum
Dinoflagellat Ceratium horridum
Dinoflagellat Amphisolenia globifera
Dinoflagellat Amphisolenia globifera

11. November: Zweiter Fahrtabschnitt – die Fallen tauchen auf!

Die oberste Sedimentfalle wird aus dem Wasser geholt. Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Die oberste Sedimentfalle wird aus dem Wasser geholt. Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

Es ist still auf der Brücke des Forschungsschiffes MARIA S. MERIAN. Alle schauen gespannt auf das Wasser. Wo ist sie? Wir suchen die Kette von drei Sedimentfallen, die ein Jahr lang Partikel aufgefangen haben, die durch die Wassersäule zum Meeresboden rieselten.

„Da ist sie!“ kommt es endlich erleichtert. Eine rote Fahne, befestigt an zwei Schwimmkugeln, ist in den Wellen aufgetaucht, kurz danach kommt eine weitere Traube von orangefarbenen Schwimmkugeln an die Wasseroberfläche. Das sogenannte Auslösesignal hat einwandfrei funktioniert und dafür gesorgt, dass die Fallen-Kette sich vom Anker auf 4.200 Meter Wassertiefe gelöst hat und durch die an ihr befestigten Schwimmkugeln nach oben aufsteigen konnte. 

Die drei Sedimentfallen, die auf circa 3.700, 1.500  und 1.400 Meter Wassertiefe untereinander hingen, haben Partikel aus der Wassersäule aufgefangen, die zum Meeresboden sedimentiert sind. Dabei wurden sie von großen Trichtern , an deren unterem Ende  kleine Becher angebracht waren, eingesammelt. Ein ausgeklügeltes Karussellsystem sorgte dafür, dass die Becher alle drei Wochen gewechselt wurden.

„Da ist sie!“ Die erste Sediemtnfalle taucht auf. Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
„Da ist sie!“ Die erste Sediemtnfalle taucht auf. Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Sicher an Deck. Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Sicher an Deck. Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

Diese Sedimentfallen sammeln schon seit 1988 jedes Jahr Partikel. Sie liefern damit wichtige Informationen darüber, wie sich der Partikelfluss in Abhängigkeit von Umwelt- und Ozeanographischen Veränderungen geändert hat. Im Detail wird zum Beispiel untersucht, wie sich Klimaänderungen, durch den Menschen verursachte Veränderungen im pH-System der Ozeane oder Verschmutzung auf den Partikelfluss auswirken.

Ein paar Stunden später stehen alle drei Sedimentfallen auf dem Deck der MARIA S. MERIAN. Jetzt werden sie gewartet, ihre Sammelbecher ausgetauscht und die Karussellsteuerungen wieder neu programmiert. Morgen geht es für sie wieder zurück in den Ozean, wo sie ein weiteres Jahr für uns sammeln dürfen.

Becher gefüllt mit Partikeln. Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Becher gefüllt mit Partikeln. Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

10. November: Erster Fahrtabschnitt – EUROTHAW

Das Team des EUROTHAW-Fahrtabschnitts. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Das Team des EUROTHAW-Fahrtabschnitts. Foto: MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

Die kleine wissenschaftliche Crew der Etappe eins der MARIA S. MERIAN-Fahrt MSM79 nahm diese Begrüßung des Golfes von Biskaya gern an und begann sofort mit ihren Forschungsaktivitäten, indem sie die Morphologie des Meeresbodens und seiner unterirdischen Sedimente mit Parasound und Multibeam studierte. Danach wurden Sedimentproben und mehrere einzigartige marine sedimentäre Umweltarchive mit Multicorer und Schwerelot beprobt.

Die genaue Stelle für die Probennahme ist einzigartig, denn hier mündete vor etwa 20.000 Jahren, am Ende der letzten Eiszeit, ein riesiger Fluss in den Atlantik. Damals war der Meeresspiegel viel niedriger als heute, große Eisschilde bedeckten weite Teile Europas. Der nicht eisbedeckte Boden zwischen den Eisschilden war weitgehend dauerhaft gefroren, der so genannte Permafrost. Als die Eiszeit endete und Europa wärmer wurde, schmolzen diese Böden und wurden sozusagen durch den Fluss in den Ozean transportiert. Spuren davon finden wir heute in der Mitte des Golfes von Biskaya.

Die MARIA S. MERIAN inmitten des Golfes von Biskaya. Aber nein, nicht, was du denkst, keine Stürme, die über das Schiff streichen, keine hohen Wellen, sondern: blauer Himmel, fast kein Wind, eine sehr niedrige Dünung, die das Schiff sanft bewegt und viele Delfine, die um das Forschungsgebiet herumspringen. Mit anderen Worten: ideale Bedingungen, um Proben zu nehmen.

Diese Karte von Europa zeigt die Flüsse, die vor 20.000 Jahren vom Eisschelf ins Meer geflossen sind (Patton et al., 2017).
Diese Karte von Europa zeigt die Flüsse, die vor 20.000 Jahren vom Eisschelf ins Meer geflossen sind (Patton et al., 2017).
Auswerten des Drahtzugprofils, um zu sehen, ob der gerade gezogene Schwerelotkern Sedimente enthält.
Auswerten des Drahtzugprofils, um zu sehen, ob der gerade gezogene Schwerelotkern Sedimente enthält.
Gesine Mollenhauer bei der Untersuchung des Meeresbodens mit Parasound.
Gesine Mollenhauer bei der Untersuchung des Meeresbodens mit Parasound.

Permafrostböden enthalten viel organischen Kohlenstoff, der beim Schmelzen an die Umwelt abgegeben wird. Derzeit findet dieser Prozess in weiten Teilen Sibiriens statt. Aber wie wirkt das Freisetzen von organischem Kohlenstoff? Wird er im Meeresboden abgelagert und gespeichert – oder bauen Mikroorganismen den organischen Kohlenstoff ab und geben ihn in die Atmosphäre ab, wo dieser Kohlenstoff als wichtiges Treibhausgas unser Klima beeinflussen kann?

Das Forschungsteam auf der MARIA S. MERIAN hofft, Antworten darauf zu finden. Wir werden untersuchen, wie das frühzeitige Auftauen des Permafrostes das globale Klima und die Meeresumwelt beeinflusst hat. Dies kann jedoch nur nach Rückkehr ans MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen und dem Alfred-Wegener-Insitut (AWI Bremerhaven) mit organischen geochemischen und palynologischen Methoden (= Pollen- und Sporenuntersuchungen) erfolgen. Die Untersuchungen schließen auch verbindungsspezifischer Radiokohlenstoffanalysen mit dem Kleinbeschleuniger-Massenspektrometer MICADAS ein.

Nach einem langen Tag (und einer langen Nacht) erfolgreicher Probenahme startete das müde, aber zufriedene Forschungsteam eine Reise in die wärmeren Gewässer der mauretanischen und marokkanischen Regionen.  Dort wird nach einem kurzen Zwischenstopp in Las Palmas, wo das Forschungsteam mit Kolleginnen und Kollegen des MARUM, AWI, Royal Netherlands Sea Research (NIOZ, Niederlande) und der University of Westminster (Großbritannien) ergänzt wird, die Suche nach „dem Schicksal des organischen Kohlenstoffs“ fortgesetzt. Diesmal nicht „alter Permafrostkohlenstoff“, sondern frisch produziert durch Plankton in den aufsteigenden Zellen, die an der afrikanischen Küste vorhanden sind.

Karin Zonneveld