Projektübersicht der Arbeitsgruppe Achterberg

Flüsse sind eine der Hauptquellen von Spuren- und Hauptelementen für den Ozean. Die Zufuhr von Elementen in den Ozean hat weitreichende Auswirkungen auf die Meeresbiota und die Zusammensetzung des Meerwassers. Bei den meisten Elementen wird diese Zufuhr durch Ästuarprozesse erheblich verändert. Große Schwankungen der Ionenstärke, des pH-Wertes und der Belastung durch organische und anorganische Schwebstoffe senken die Stabilität einiger Elemente und erhöhen die Stabilität anderer. Es ist daher nicht möglich, den Beitrag der Flüsse zur Biogeochemie des Ozeans allein durch stromaufwärts gerichtete Messungen der Wasserchemie zu bestimmen. Wir arbeiten in einer Vielzahl von Flussmündungen aus unterschiedlichen Klimazonen, Topographien und anthropogenen Aktivitätsniveaus (Flüsse des Amazonas, Kongo, Niger, Sambesi, Lena, Borneo) um zu entschlüsseln, wie Ästuarprozesse den Eintrag von Spuren- und Hauptelementen in den Ozean verändern. Die meisten dieser Ästuarstudien wurden mit GEOTRACES-Forschungsfahrten koordiniert, die Proben der Ozeanchemie von der Flussmündung bis zum offenen Ozean nehmen, um das globale Ozeanbild zu berechnen. Anthropogene Aktivitäten wie Stauung und Schadstoffemissionen verändern zunehmend die Fluss- und Ästuarprozesse. Unser Ziel war es zu entschlüsseln, wie die kombinierten Auswirkungen dieser Prozesse, die Versauerung der Ozeane und die globale Erwärmung die Ozeane verändern werden.

Vieira, L.H., Krisch, S., Hopwood, M.J., Beck, A.J., Scholten, J., Liebetrau, V. and Achterberg, E.P. (2020). Unprecedented Fe delivery from the Congo River margin to the South Atlantic Gyre. Nature Communications, 11, 556.
DOI: 10.1038/s41467-019-14255-2

Wir verwenden Laborkultur-Experimente, um die Reaktion von Schlüssel-Phytoplankton auf Umweltstörungen unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen.

Eine Schlüsselfrage bei Phytoplanktonkultur-Experimenten ist (i) die Wiederholung von Wachstumsbedingungen, die für die Ozeane realistisch sind, und (ii) die Fähigkeit, an jeder Probenahmestelle genügend Phytoplanktonmaterial aus den Kulturen für eine detaillierte chemische und biologische Analyse zu sammeln. Um dieses Problem zu lösen, haben wir einen neuartigen Ansatz entwickelt, bei dem exponentiell chargenweise gefütterte Kulturen verwendet werden, um große Mengen an Phytoplankton unter stationärer Nährstoffbegrenzung zu züchten.
Derzeitige Experimente konzentrieren sich auf die Untersuchung der Rolle von Eisen und Phosphor auf Schlüsselarten stickstofffixierender Bakterien (Diazotrophe), mit besonderem Schwerpunkt auf den Wechselwirkungen zwischen der Eisen- und Phosphorversorgung über den Bedarf an Eisen in der alkalischen Phosphatase (dem Enzym, das von Mikroben verwendet wird, um Phosphor aus gelöstem organischem Phosphor zu gewinnen), den Auswirkungen der Nährstoffbegrenzung auf die elementare Stöchiometrie und den Veränderungen der Metaboliten mit Verschiebungen der Nährstoffbegrenzung.

Ansprechpersonen: Dr. Martha Gledhill & Dr. Thomas Browning

Die Aktivität von Mikroben ist eine kritische Komponente der Elementarzyklen im Ozean. Wir interessieren uns besonders für die Elemente, die das Wachstum des Phytoplanktons begrenzen können: Diese Organismen tragen zu ~50% der Primärproduktion auf der Erde bei, sind die Basis des marinen Nahrungsnetzes, vermitteln den Austausch von Kohlendioxid aus der Atmosphäre in den Ozean und verpacken und transferieren Elemente von der Oberfläche in den tiefen Ozean. Zu den Schlüsselelementen, die neben den im Meerwasser vorkommenden Phytoplanktonarten eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Phytoplanktonwachstums spielen, gehören Stickstoff, Phosphor, Silizium und Eisen, wobei zunehmend anerkannt wird, dass diese Liste möglicherweise um Zink, Mangan, Kobalt und Vitamin B₁₂ erweitert werden sollte.

Wir untersuchen die Rolle, die diese Elemente spielen folgendermaßen:

• Experimente durchführen, bei denen kleine Mengen dieser Nährstoffe dem Meerwasser zugesetzt werden und indem wir die Reaktionen des Phytoplanktons nachweisen
• Beurteilung der Verteilung, Zufuhr und Entnahme von Meeresnährstoffen in Bezug auf die gemessene Phytoplanktonbiomasse und die Struktur der Lebensgemeinschaft
• Messung der Physiologie des Phytoplanktons mit Fluoreszenztechniken und Enzymaktivitätsuntersuchungen
• Messung der wichtigsten mikrobiellen Metaboliten im Meerwasser, die eine Diagnose des Nährstoffstresses des Phytoplanktons ermöglichen
• Verknüpfung der Nährstoffverfügbarkeit mit dem Phytoplanktonwachstum mit Hilfe einfacher numerischer Modelle.

Das Ziel von diesem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt ist es, die potentielle Kolimitierung vom Phytoplanktonwachstum durch Stickstoff und Eisen im äquatorialen Pazifik zu untersuchen. Es handelt sich um ein Kooperationsprojekt mit Dr. Mak Saito von der Woods Hole Oceanographic Institution (USA), der mikrobielle Nährstoffstressproteine untersucht und Prof. Alessandro Tagliabue von der Universität Liverpool (UK), der die Ergebnisse von Feldstudien mit Simulationen von Nährstoffbegrenzungen in globalen biogeochemischen Ozeanmodellen verknüpft.

Ansprechperson: Dr. Thomas Browning

Ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziertes Projekt, das die Triebkräfte der Nährstoffbegrenzung im Südostatlantik untersuchen wird. Dieses Projekt zielt auf kürzlich aufgewirbeltes Meerwasser in der Nähe der afrikanischen Küste, das sich dann in Filamenten küstenfern ausbreitet. Wir werden die Nährstoffquellen, -senken und -kreisläufe in den Filamenten sowie die Auswirkungen und Rückkopplungen der Nährstoffbegrenzung des Phytoplanktons untersuchen.

Ansprechperson: Dr. Thomas Browning

Küstenauftrieb in Verbindung mit östlichen Grenzströmungen transportiert Tiefwassernährstoffe an die Oberfläche und führt zu den Standorten mit der höchsten Produktivität im globalen Ozean.
Diese hohe Produktivität erhält wichtige Fischereien aufrecht und bremst die Ausgasung von CO₂ in die Atmosphäre. Große Mengen sinkender organischer Substanz tragen auch zum Sauerstoffentzug im tieferen Wasser bei, da dieses Material nach und nach von Bakterien veratmet wird.
Es wird davon ausgegangen, dass diese Standorte durch den künftigen Klimawandel stark beeinträchtigt werden. Es wird erwartet, dass Erwärmung und Schichtung den Auftrieb verringern werden, was sich möglicherweise sowohl auf die Produktivität dieser Zonen als auch auf die Sauerstoffkonzentrationen im tiefen Wasser auswirken wird. Neben anderen Faktoren hängen solche Rückkopplungen entscheidend von etwaigen Änderungen der Konzentrationen von Nährstoffen und Spurenelementen ab, die nach oben getrieben werden. Wir führen Forschungsarbeiten durch, um die derzeitigen Kontrollen der Nährstoff- und Spurenelementquellen, -senken und -kreisläufe in diesen Systemen und ihre Auswirkungen auf die Phytoplanktonproduktivität zu bewerten, damit wir die Rückkopplungen des Klimawandels besser vorhersagen können. 

Dieses Projekt wird die treibenden Kräfte von Nährstoffbegrenzungsregimen im Südostatlantik untersuchen. Wir werden kürzlich aufgewirbeltes Meerwasser an der afrikanischen Küste ins Visier nehmen, das sich dann offshore in Hochenergiefilamenten ausbreitet. Wir werden Nährstoffquellen, -senken und -kreisläufe in den Filamenten, die Auswirkungen und Rückkopplungen von Verschiebungen in der Nährstoffbegrenzung des Phytoplanktons und den Kohlenstoffexport untersuchen.

Im Rahmen dieses Projektes fand die METEOR-Expedition M187 statt. Hier geht es zum Blog der Expedition.
 
Ansprechperson: Dr. Thomas Browning

Im Rahmen eines von Dr. Ewan Wakefield an der Universität Glasgow (UK) geleiteten Projekts zur Untersuchung der Triebkräfte für die Verbreitung von Seevögeln im gemäßigten Nordatlantik untersuchten wir die Verteilung von Nährstoffen und Phytoplankton in dieser Region und bewerteten die Nährstoffbeschränkungen für das Phytoplanktonwachstum.

Ansprechperson: Dr. Thomas Browning

Hier geht es zur Podcast-Folge über das Projekt mit Dr. Thomas Browning und Ali Al-Hashem.

Browning, T.J., Al-Hashem, A.A., Hopwood, M.J., Engel, A., Wakefield, E.D. und Achterberg, E.P. (2019). Nährstoffregulierung der Phytoplanktonblüte im späten Frühjahr im Nordatlantik in mittleren Breiten. Limnology and Oceanography, 65, 1136-1148.
DOI: 10.1002/lno.11376

Im Jahr 2019 wurde die erste GEOTRACES-China-Abschnittsfahrt im westlichen subtropischen Pazifik erfolgreich durchgeführt. Dieses Projekt wurde von der Universität Xiamen geleitet und wir nahmen an der Fahrt teil, um zur Untersuchung der Kontrolle des Phytoplanktonwachstums in dieser Region beizutragen. 

Hier finden Sie weitere Infos zur Forschungsreise und den hier geht es zum Fahrtbericht.

Stickstoff ist häufig der Nährstoff, der die mikrobielle Aktivität im Ozean begrenzt. Er liegt jedoch in einer Reihe verschiedener chemischer Formen vor, die in unterschiedlichem Maße von verschiedenen Mikroben genutzt werden können. Jing Liu ist eine durch das chinesische CSC-Programm finanzierte Doktorandin, unserer Gruppe beigetreten ist, nachdem sie ihre ersten beiden Jahre an der Universität Xiamen bei Prof. Minhan Dai absolviert hat. Jing hat im Rahmen verschiedener GEOTRACES-Forschungsfahrten die Raten der Stickstoffaufnahme und -umwandlung an (i) einem Küstenstandort in der Ostsee (Boknis Eck) und (ii) in einem offenen Ozeansystem im Pazifik untersucht.

Im Rahmen der GEOTRACES-Ausfahrten im Südostatlantik 2014/15 untersuchten wir die Auswirkungen veränderter Nährstoffregime auf den Zustand der Nährstofflimitierung des Phytoplanktons und deren Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Phytoplanktongemeinschaft. Wir fanden deutliche Gradienten in der Begrenzung des Phytoplanktons durch Stickstoff und Eisen. Überraschenderweise entdeckten wir Ozeanbereiche, die durch beide Nährstoffe gemeinsam begrenzt waren, sodass sowohl Stickstoff als auch Eisen zugeführt werden mussten um ein verstärktes Phytoplanktonwachstum zu erzeugen. Die Nährstoffbegrenzungen waren auf der Grundlage der gemessenen Nährstoffkonzentrationen im Meerwasser vorhersehbar. Wir stellten auch fest, dass die Standorte, dei denen sowohl Stickstoff als auch Eisen begrenz vorlagen, vielfältigere Phytoplanktongemeinschaften aufweisen und stellten die Hypothese auf, dass diese Vielfalt eine wichtige Triebkraft für die Nährstoffkolimitierung sein könnte. Hochmodernen Modelle zur Projektion der Auswirkungen dieser Kolimitierung zeigten mögliche Auswirkungen auf den Klimawandel. Wir fanden auch eine unerwartet wichtige Sekundärrolle für Kobalt oder kobalthaltiges Vitamin B₁₂ bei der Regulierung des Phytoplanktonwachstums nach der Zufuhr von Stickstoff und Eisen.

Browning, T.J., Achterberg, E.P., Rapp, I., Engel, A., Bertrand, E.M., Tagliabue, A. and Moore, C.M. (2017). Nutrient co-limitation at the boundary of an oceanic gyre. Nature, 551, 242-246.
DOI: 10.1038/nature24063

Diese Arbeit wurde durch ein Marie-Skłodowska-Curie-Stipendium für Dr. Thomas Browning von der Europäischen Kommission im Rahmen von Horizon2020 finanziert.

In einigen Ozeanregionen in den niedrigen Breitengraden sind die Phosphorkonzentrationen derart abgesunken, dass sie das Phytoplanktonwachstum und die Stickstoff-Fixierungsraten begrenzen könnten. Um genügend Phosphor zu erhalten greifen Mikroben auf den Phosphorpool zu, der an gelöstes organisches Material gebunden ist. Dazu benötigen sie ein Enzym namens "alkalische Phosphatase". Es gibt drei Haupttypen dieses Enzyms: PhoA, PhoX und PhoD. Es war jahrzehntelang bekannt, dass PhoA Zink als seinen aktivierenden Metall-Co-Faktor enthält. Neuere kristallographische Studien haben jedoch gezeigt, dass PhoX und PhoD tatsächlich Eisen enthalten, welches im Ozean oft nur in geringem Maße verfügbar ist. Wir untersuchten das Potenzial für eine Eisen- und/oder Zinkbegrenzung der alkalischen Phosphatase-Aktivität im subtropischen Nordatlantik, wo die Phosphorkonzentrationen extrem abgesunken sind. Wir fanden heraus, dass die Eisenzufuhr zu signifikanten Verbesserungen der alkalischen Phosphatase führte, dort wo die Eisenzufuhr aus Staub am geringsten war und keine Verbesserungen an Orten, an denen die Eisenzufuhr bereits hoch war. Die Zufuhr von Zink führte durchweg zu keinen Veränderungen der Aktivität der alkalischen Phosphatase, was darauf schließen lässt, dass sie nicht limitierend war.
Dr. Xuechao Wang war ein Doktorand, der Teil einer durch ein CSC-Stipendium finanzierten Gruppe war. Er untersuchte das oben beschriebene Thema an Kulturen mit der Stickstoff-fixierenden Mikrobe Trichodesmium.

Browning, T.J., Achterberg, E.P., Yong, J.C., Rapp, I., Utermann, C., Engel, A. and Moore, C.M. (2017). Iron limitation of microbial phosphorus acquisition in the tropical North Atlantic. Nature communications, 8, 15465.
DOI: 10.1038/ncomms15465

Diese Arbeit wurde durch ein Marie-Skłodowska-Curie-Stipendium für Dr. Thomas Browning von der Europäischen Kommission im Rahmen von Horizon2020 finanziert.

Im Rahmen des SFB 754-Programms wurden in der peruanischen Auftriebszone Experimente durchgeführt um die Nährstoffe zu untersuchen, die das Phytoplanktonwachstum begrenzen. Wir stellten fest, dass das Phytoplankton direkt über dem flachen peruanischen Schelf nicht durch Nährstoffe begrenzt wurde, sondern in kurzer Entfernung vor der Küste rasch durch Eisen begrenzt wurde. Weder für Kobalt noch für Vitamin B₁₂ wurde für diese Region eine klare begrenzende Rolle gefunden.

Browning, T.J., Rapp, I., Schlosser, C., Gledhill, M., Achterberg, E.P., Bracher, A. and Le Moigne, F.A. (2018). Influence of Iron, Cobalt, and Vitamin B₁₂ Supply on Phytoplankton Growth in the Tropical East Pacific During the 2015 El Niño. Geophysical Research Letters, 45, 6150-6159.
DOI: 10.1029/2018GL077972 

Diese Arbeit wurde durch ein Marie-Skłodowska-Curie-Stipendium für Dr. Thomas Browning von der Europäischen Kommission im Rahmen von Horizon2020 finanziert.

Dieses Projekt hat die Auswirkungen des Auftriebs an der östlichen Grenze und des Sauerstoffmangels in der Tiefsee auf die Produktivität der Ozeane und den Kohlenstoffexport untersucht. Unser Untersuchungsgebiet war der südöstliche Atlantische Ozean, wo der mit dem Benguelastrom verbundene Auftrieb zu einer hohen Phytoplanktonproduktivität führt und eine große Sauerstoffminimumzone bildet. Wenn man sich weiter vor der Küste bewegt, nehmen Auftrieb, Produktivität und Sauerstoffverbrauch drastisch ab. Durch die Untersuchung von Standorten entlang dieses Übergangs wurden wichtige Kontrollen betrachtet: (i) die Menge der Phytoplanktonproduktivität im Oberflächenozean und (ii) das Absinken dieses Materials in die Tiefsee. Wir haben mit Modellierer:innen zusammengearbeitet, um unsere Ergebnisse zur Verbesserung der Projektionen der Kohlenstoffaufnahme der Ozeane unter zukünftigen Klimaszenarien zu nutzen, und mit Sozialwissenschaftler:innen, um die sozioökonomischen Kosten abzuschätzen und die Interessensgruppen zu informieren.

Ansprechperson: Prof. Eric Achterberg

Wir untersuchen die Kontrolle von Eisen und anderen Spurenelementen in zwei Auftriebsgebieten an der östlichen Grenze: vor den Küsten Mauretaniens und Perus. Beide Regionen sind Standorte wichtiger Fischereien und des Kohlenstoffaustauschs zwischen Ozean und Atmosphäre und werden voraussichtlich in Zukunft wichtige Veränderungen erfahren.

Rapp, I., Schlosser, C., Menzel Barraqueta, J.L., Wenzel, B., Lüdke, J., Scholten, J., Gasser, B., Reichert, P., Gledhill, M., Dengler, M. and Achterberg, E.P. (2019). Controls on redox-sensitive trace metals in the Mauritanian oxygen minimum zone. Biogeosciences (BG), 16, 4157-4182.
DOI: 10.5194/bg-16-4157-2019

Rapp, I., Schlosser, C., Browning, T.J., Wolf, F., Le Moigne, F.A., Gledhill, M. and Achterberg, E.P. (2020). El Niño-Driven Oxygenation Impacts Peruvian Shelf Iron Supply to the South Pacific Ocean. Geophysical Research Letters, 47, p.e2019GL086631.
DOI: 10.1029/2019GL086631

Browning, T.J., Rapp, I., Schlosser, C., Gledhill, M., Achterberg, E.P., Bracher, A. and Le Moigne, F.A. (2018). Influence of Iron, Cobalt, and Vitamin B₁₂ Supply on Phytoplankton Growth in the Tropical East Pacific During the 2015 El Niño. Geophysical Research Letters, 45, 6150-6159.
DOI: 10.1029/2018GL077972

Ansprechpersonen: Prof. Eric Achterberg, Dr. Martha Gledhill

Ein großer Teil der Bomben des Zweiten Weltkriegs wurde nicht explodiert, so dass Hg-haltige Hüllen in den Sedimenten eingebettet sind. Vor und während des Zweiten Weltkriegs wurden in der Nähe der Ostseestadt Kiel (Deutschland) große Mengen an Flugzeugmunition verschossen. Viele dieser Munition befindet sich in Küstennähe und in der Nähe von Bevölkerungszentren und Fischgründen, die empfindlich auf Hg-Toxizität reagieren. Nach 70 Jahren auf dem Meeresboden zersetzen sich die Geschosse und setzen ihre explosiven Verbindungen, einschließlich Hg-Fulminat, frei. Es wurde nachgewiesen, dass signifikante Mengen an Munitionsverbindungen wie Nitroaromaten in den Gewässern um die Bomben herum nachgewiesen wurden. Daher ist es wichtig zu erforschen, ob das Hg in der Munition auch in diesen Gebieten ausgeprägt ist und ob es eine Gefahr für Küstenbewohner:innen und aquatische Biota darstellt. Um diese Aufgabe zu erfüllen, werden Fische, Plankton, Gewässer und Sedimente an Orten gesammelt, die sich in unmittelbarer Nähe zu bekannten Munitionen befinden. Die unmittelbare Lage dieser Bomben wird durch geophysikalische Kartierungen und Messungen verifiziert. Die Proben werden im Biogeochemie-Labor des GEOMAR auf Hg und MeHg analysiert, um festzustellen, ob ein Potenzial für den Austritt oder die Umwandlung von Hg aus den alten Bomben in die Umwelt besteht. Diese Forschung wird helfen, die Bedrohung der Bürger:innen und der Umwelt durch lokalisiertes toxisches Hg aus der Munition zu beurteilen. Es ist möglich, dass diese Ergebnisse uns helfen werden, die lokalen Auswirkungen der Degradation auf lokale Gewässer zu verstehen und wo die Munitionssanierung und -beseitigung priorisiert werden könnte.

Ansprechperson: Kathleen Gosnell

Das Studium der aquatischen Chemie umfasst die grundlegende und wichtige Kontrolle, die die Chemie bei der Zusammensetzung natürlicher Gewässer spielt. Der pH-Wert der Lösung, die Ionenstärke (eine Variable, die für die Ladung und Konzentration der Ionen in der Lösung verantwortlich ist), die Temperatur und die Zusammensetzung des Mediums sowie die chemische Speziation sind entscheidend für das Verständnis und die Vorhersage der Bindung, Löslichkeit, des Transports, der Toxizität und der Bioverfügbarkeit von (Mikro-)Nährstoffen sowie für die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Partikeln und natürlicher organischer Substanz im Meerwasser. Ein chemisches Element kann in einer Vielzahl von molekularen und ionischen Formen vorliegen, was als chemische Speziation bezeichnet wird. Unsere Studien der aquatischen Chemie untersuchen die chemischen Reaktionen und Prozesse, die das Verhalten und den Verbleib chemischer Spezies in der Meeresumwelt beeinflussen.

Wir bestimmen die chemische Speziation durch analytische Methoden, die spezifische Metallspezies und die Gesamtmetallkonzentration messen, in Kombination mit thermodynamisch basierten Modellen der Ionenwechselwirkung (z.B. Pitzer-Modell). Aktivitätskoeffizienten in Elektrolytlösungen (eine Funktion von Temperatur, Druck und Lösungszusammensetzung) können verwendet werden, um die Speziation von Mikronährstoffen in Meerwasser und anderen natürlichen Gewässern zu berechnen. Speziationsmodelle werden benötigt, um Änderungen in den chemischen Reaktionen vorherzusagen, die im globalen Ozean aufgrund des Klimawandels stattfinden und die sich auf pH-Wert, Temperatur und Ionenstärke auswirken werden.
Um die Speziation von Mikronährstoffen zu verstehen, ist es notwendig, ihre Wechselwirkungen, die durch die Aktivitätskoeffizienten gegeben sind, mit den Hauptkomponenten des Meerwassers (Cl^-, OH^-, CO₃^2-, usw.) und den organischen Liganden (z.B. gelöste organische Substanz) zu modellieren. Wir arbeiten mit der SCOR Working Group 145 on Modelling Chemical Speciation in Seawater to Meet 21st Century Needs (MARCHEMSPEC) zusammen, um die chemische Speziation und Bindung von Mikronährstoffen in Meerwasser und anderen natürlichen Gewässern zu charakterisieren. 

Meersalz besteht hauptsächlich aus elf Ionen in nahezu konstanten Verhältnissen. Diese Ionen, die allgemein als "Hauptelemente" bezeichnet werden, kommen im Meerwasser in Konzentrationen von >1 mg/kg vor, und zusammen machen sie >99% der löslichen ionischen Bestandteile des Meerwassers aus. Die Hauptelemente sind Schlüsselkomponenten in allen biologischen und chemischen Reaktionen und Prozessen, die in den Ozeanen ablaufen. Kleine Schwankungen in den Konzentrationen der Hauptelemente enthalten wertvolle Informationen und sind besonders nützlich bei der großräumigen Überwachung mariner Ökosysteme. Wir machen uns die Neigung verschiedener Organismengruppen zunutze, charakteristische Anteile verschiedener Elemente in ihr Skelett einzubauen. Auf diese Weise verändern diese Organismen die Chemie des umgebenden Meerwassers. Die Variabilität in der Meerwasserchemie, die durch die Ausfällung von Skeletten induziert wird, kann genutzt werden, um z.B. die Menge an Calciumcarbonat zu quantifizieren, die von Korallenriffen im Vergleich zu pelagischen Kalzifizierern ausgefällt wird oder die Häufigkeit von Acantharia (eine Gruppe von Rhizaria, die SrSO₄-Skelette ausfällt) im Ozean. Daten über die nicht-konservative Variabilität der Hauptelementkonzentrationen im Ozean stellen ebenfalls eine nützliche Ergänzung zu den im Rahmen des GEOTRACES-Programms erhaltenen Informationen über Spurenelemente dar. Haupt- und Spurenelemente gelangen aus ähnlichen Quellen (Flüsse, Sedimente, Staub, hydrothermale Aktivität) in den Ozean, werden aber oft durch unterschiedliche Mechanismen entfernt. Wir nutzen die GEOTRACES-Plattform, um die Haupt- und Spurenelementkonzentrationen in denselben Proben zu quantifizieren und ihre unterschiedliche Geochemie zu nutzen, um die Reaktionswege im Ozean zu entschlüsseln.

Steiner, Z., Sarkar, A., Prakash, S., Vinayachandran, P.N. and Turchyn, A.V. (2020). Dissolved Strontium, Sr/Ca Ratios, and the Abundance of Acantharia in the Indian and Southern Oceans. ACS Earth and Space Chemistry, 4, 802−811.
DOI: 10.1021/acsearthspacechem.9b00281

Steiner, Z., Turchyn, A.V., Harpaz, E. and Silverman, J. (2018). Water chemistry reveals a significant decline in coral calcification rates in the southern Red Sea, Nature Communications, 9, 3615.
DOI: 10.1038/s41467-018-06030-6

Steiner, Z., Erez, J., Shemesh, A., Yam, R., Katz, A. and Lazar, B. (2014). Basin-scale estimates of pelagic and coral reef calcification in the Red Sea and Western Indian Ocean. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 111, 46, 16303-16308.
DOI: 10.1073/pnas.1414323111

Die Substanz Tris (2-Amino-2-hydroxymethyl-1,3-propandiol) wird zusammen mit seiner konjugierten Säure TrisH⁺ in künstlichem Meerwasser zur Kalibrierung von Instrumenten zur Messung des pH-Wertes von salzhaltigen Wässern verwendet.
Die Messung des pH-Wertes in Meerwasser beruht auf der Genauigkeit der pH-Werte, die für die derzeit zur Kalibrierung verwendeten Tris-Seewasserpuffer festgelegt wurden und ist auf natürliche Gewässer der Meerwasserstöchiometrie beschränkt.
Chemische Speziationsmodelle, wie z.B. die auf den Pitzer-Gleichungen basierenden, können potenziell den pH-Wert von Puffern berechnen. Dennoch sind die Speziationsmodelle noch nicht für alle Wechselwirkungen von Tris und TrisH⁺, die den pH-Wert des Puffers beeinflussen, vollständig charakterisiert, insbesondere bei anderen Temperaturen als 25 °C.
Wir quantifizierten die Wechselwirkungen von Tris mit einigen der Hauptkomponenten des Meerwassers, indem wir die Löslichkeit des neutralen Tris in Salzlösungen und der gleichen Salze in wässrigen Lösungen von Tris gemessen haben. Unsere Experimente deckten einen weiten Konzentrationsbereich und Temperaturen zwischen 5 °C und 45 °C ab.
Wir verwendeten die erhaltenen Ergebnisse zusammen mit Literaturdaten, um Pitzer-Modellparameter für die Selbstwechselwirkung von Tris und von Tris mit den Ionen Na⁺, TrisH⁺ und SO₄^2- als Funktionen der Temperatur zu erhalten. Wir hatten auch den Wert des thermodynamischen Löslichkeitsprodukts von Tris in Wasser als Funktion der Temperatur bestimmt.
Das endgültige Ziel war es, ein rückverfolgbares chemisches Speziationsmodell für Tris-Puffer in künstlichem Meerwasser als Funktion der Temperatur, des Salzgehalts und der Zusammensetzung des Mediums zu erhalten.

Zusätzlich zur Unterstützung vom Scientific Committee on Oceanic Research war diese Arbeit Teil eines Projekts, das durch einen gemeinsamen Zuschuss vom Natural Environment Research Council und U.S. National Science Foundation Prof. Simon Clegg, Dr. Andrew Dickson und Dr. Heather Benway finanzierten.

Dabei wurde außerdem ein Demonstrationsmodell entwickelt. 

Lodeiro, P., Turner, D. R., Achterberg, E.P., Gregson, F.K.A., Reid, J.P. and Clegg, S.L. (2021). Solid–Liquid Equilibria in Aqueous Solutions of Tris, Tris-NaCl, Tris-TrisHCl, and Tris-(TrisH)₂SO₄ at Temperatures from 5 to 45 °C. J. Chem. Eng. Data, 66, 437-455.
DOI: 10.1021/acs.jced.0c00744

D. R. Turner, E. P. Achterberg, C.T. A. Chen, S. L. Clegg, V. Hatje, M. Maldonado, S. G. Sander, C. M. van den Berg, and M. Wells (2016). Toward a Quality-Controlled and Accessible Pitzer Model for Seawater and Related Systems. Frontiers in Marine Science, 3, 139.
DOI: 10.3389/fmars.2016.00139

Ansprechperson: Dr. Pablo Lodeiro

Gelöste organische Stoffe im Meer (DOM) sind ein komplexes, heterogenes Gemisch von 1000 Verbindungen. Wir untersuchten die Säure-Base-Eigenschaften dieses komplexen Materials, um den Gesamtsäuregehalt und die Heterogenität der funktionellen Gruppen in DOM zu beschreiben. Diese thermodynamischen Eigenschaften von marinem DOM bestimmen die Wechselwirkungen zwischen DOM und Spurenmetallen und können auch die Gesamtalkalinität in Küstengewässern mit hohen DOM-Konzentrationen beeinflussen. Wir haben sorgfältig kontrollierte Säure-Base-Titrationen an angereicherten DOM durchgeführt. In Zusammenarbeit mit Prof. Jaume Puy, Prof. Carlos Rey-Castro und Dr. David Calin (Universität Lleida, Spanien) verwendeten wir eine Kombination aus der nicht-idealen kompetitiven Adsorptionsisotherme (NICA), die die spezifische chemische Ionenbindung erklärt und dem Donnan-Modell für elektrostatische Effekte. Die Anwendung des NICA-Donnan-Modells führte zu intrinsischen Gleichgewichts-Protonationskonstanten für marines DOM, die verwendet wurden um ein mechanistisches Verständnis darüber zu entwickeln, wie der pH-Wert und die Säure-Base-Eigenschaften von marinem DOM die Metallspeziation und die Biogeochemie im Meerwasser beeinflusst wird. Wir verwendeten das Amazonas-Ästuar als eine hochdynamische Fallstudie und Adrienne Hollister aus der Gruppe von Prof. Andrea Koschinsky (Constructor University, Bremen) untersuchte die Spurenelement-Biogeochemie im Rahmen einer GEOTRACES-Prozessstudie im Plume des Amazonas-Ästuars mit mehreren Ansätzen.

Lodeiro, P., Rey-Castro, C., David, C., Achterberg, E. P., Puy, J., and Gledhill, M. (2020). Acid-base properties of dissolved organic matter extracted from the marine environment. Sci. Total Environ. 729, 138437.
DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.138437

Ansprechpersonen: Dr. Martha Gledhill, Dr. Pablo Lodeiro

Dieses Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanziert.

Eisen begrenzt die Produktivität in 30% des Oberflächenozeans und seine Biogeochemie wird stark durch seine Wechselwirkungen mit organischer Materie beeinflusst. In diesem Projekt nutzten wir die intrinsischen eisenbindenden Eigenschaften von marinen gelösten organischen Stoffen (DOM) um den Einfluss von pH-Wert und DOM auf die Biogeochemie von Eisen zu untersuchen. Mit dem NICA-Donnan-Ansatz leiteten wir intrinsische Konstanten zur Beschreibung der Affinität des Spurennährstoffs Eisen zu organischer Substanz ab. Dr. Kechen Zhu wendete neuartige Versuchspläne an um die Eisenspeziation als Funktion des pH-Wertes im Meerwasser zu bestimmen. Wir arbeiteten mit Dr. Jan E. Groenenberg (Universität Wageningen, Niederlanden) zusammen um das Ionenpaarspeziationsprogramm ORCHESTRA in Kombination mit der Parameterschätzungssoftware PEST zu verwenden um die intrinsischen Eisenbindungseigenschaften von marinem DOM abzuleiten. Da Ionenpaarmodelle für Meerwasser nicht ideal sind, arbeiteten wir auch mit Prof. em. David R. Turner an der Entwicklung von Ionenwechselwirkungsmodellen (Pitzer), die metallorganische Wechselwirkungen einbeziehen, als Teil der SCOR-Arbeitsgruppe 145 zur Modellierung der chemischen Speziation im Meerwasser, um den Anforderungen des 21. Jahrhunderts gerecht zu werden (MARCHEMSPEC). Diese Eigenschaften können dann in biogeochemischen Modellen angewandt werden, um vorherzusagen, wie die Eisenspeziation den Bestand an gelöstem Eisen im Ozean in Zukunft beeinflussen wird, wenn der Ozean als Reaktion auf den erhöhten CO₂-Gehalt in der Atmosphäre saurer wird.

Avendaño, L., Gledhill, M., Achterberg, E. P., Rérolle, V. M. C., and Schlosser, C. (2016). Influence of Ocean Acidification on the Organic Complexation of Iron and Copper in Northwest European Shelf Seas; a Combined Observational and Model Study. Front. Mar. Sci. 3, 58.
DOI: 10.3389/fmars.2016.00058

Ye, Y., Völker, C., and Gledhill, M. (2020). Exploring the Iron-Binding Potential of the Ocean Using a Combined pH and DOC Parameterization. Global Biogeochem. Cycles 34, GBC20978. DOI: 10.1029/2019GB006425

Ansprechperson: Dr. Martha Gledhill

Dieses Projekt wurde durch das China Scholarship Council, das Natural Environment Research Council und den Sonderforschungsbereich 754 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert.

Mehr als die Hälfte des atmosphärischen CO₂ auf der Erde wird vom Phytoplankton aufgenommen, aber Eisen (Fe) begrenzt dessen Wachstum in großen Regionen der Ozeane. Die wichtigsten bestehenden Wissenslücken sind die Wege über die das Phytoplankton Fe aufnimmt und der Einfluss der chemischen Bedingungen in der Mikroumgebung der Algenzellen (d.h. der Phykosphäre) auf die Fe-Bildung und die Bioverfügbarkeit. Dieses Wissen stellt ein Hindernis für das Verständnis der komplexen Auswirkungen des Klimawandels auf die Fe-Aufnahme und die Kohlenstoff-Fixierung im Ozean dar. In diesem Projekt, das in Zusammenarbeit mit Dr. Martha Gledhill und Prof. Eric Achterberg am GEOMAR sowie Prof. Yuri Korchev am Imperial College London durchgeführt wurde, hat Dr. Fengjie Liu die chemischen Bedingungen und die Fe-Speziation in der Phykosphäre von Modell-Phytoplanktonarten bestimmt, die Rolle der Fe-Speziation in der Phykosphäre für die Fe-Bioverfügbarkeit quantifiziert und die Einflüsse des Klimawandels (d.h. Erwärmung und erhöhter CO₂-Gehalt) auf die Fe-Grenzflächenprozesse von Fe-Algen untersucht. Die Daten des Projekts werden uns helfen, die Fe-Bioverfügbarkeit für das Phytoplankton in den heutigen und zukünftigen Ozeanen besser einzuschätzen, was einen entscheidenden Beitrag zur globalen Kohlenstoffbindung leistet.

Liu, F., Tan, Q.-G., Weiss, D., Crémazy, A., Fortin, C. and Campbell, P.G.C. (2020). Unravelling Metal Speciation in the Microenvironment Surrounding Phytoplankton Cells to Improve Predictions of Metal Bioavailability. Environmental Science & Technology, 54, 13, 8177-8185.
DOI: 10.1021/acs.est.9b07773

Liu, F., Tan, Q.-G., Fortin, C. and Campbell, P.G.C. (2019). Why Does Cysteine Enhance Metal Uptake by Phytoplankton in Seawater but Not in Freshwater? Environmental Science & Technology, 53, 11, 6511-6519.
DOI: 10.1021/acs.est.9b00571

Liu., F, Fortin, C. and Campbell, P.G.C. (2018). Chemical Conditions in the Boundary Layer Surrounding Phytoplankton Cells Modify Cadmium Bioavailability. Environmental Science & Technology, 52, 14, 7988-7995.
DOI: 10.1021/acs.est.8b01408

Dieses Projekt wurde durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen von der Europäischen Kommission finanziert.

Von den 1000 organischen Molekülen die in der Meeresumwelt vorkommen, handelt es sich bei den Metaboliten um den Teil an Molekülen, der von Meeresorganismen produziert wird, wie z.B. Aminosäuren, Nukleotide, Purine und Kohlenhydrate. Einige wenige dieser Metaboliten enthalten Metalle. Beispiele sind Hämatome, Siderophoren, Cobalamine (Vitamin-B₁₂-Komplexe) und Methanobactine. Einige dieser Metaboliten sind Kofaktoren von Proteinen (z.B. Häm, Cobalamine), während andere hochspezifische Komplexe sind, die von Mikroben produziert werden um lebenswichtige Metalle aus der Umwelt aufzunehmen (Siderophoren, Methanobactin). Wir untersuchten das Vorkommen dieser Metaboliten sowohl in partikulären als auch in gelösten Fraktionen im Meerwasser, Süßwasser oder in Organismus-Kulturen um zu verstehen, wie ozeanische Spurenelementverteilungen den mikrobiellen Metallstoffwechsel beeinflussen könnten. Wir verwendeten eine Kombination aus organischen und elementaren Massenspektrometrietechniken um das marine Metallom zu untersuchen. Das Projekt wurde mithilfe der Kollaboration von Prof. Yeala Shaked (The Inter-University Institute for Marine Sciences in Eilat, Israel) und Dr. Insa Rapp (Dalhousie Universität in Halifax, Kanada) durchgeführt.

Gledhill, M., Basu, S., and Shaked, Y. (2019). Metallophores associated with Trichodesmium erythraeum colonies from the Gulf of Aqaba. Metallomics, 11, 1547–1557.
DOI: 10.1039/C9MT00121B

Basu, S., Gledhill, M., de Beer, D., Prabhu Matondkar, S. G., and Shaked, Y. (2019). Colonies of marine cyanobacteria Trichodesmium interact with associated bacteria to acquire iron from dust. Commun. Biol. 2, 284.
DOI: 10.1038/s42003-019-0534-z

Louropoulou, E., Gledhill, M., Browning, T. J., Desai, D. K., Barraqueta, J.-L. M., Tonnard, M., et al. (2019). Regulation of the Phytoplankton Heme b Iron Pool During the North Atlantic Spring Bloom. Front. Microbiol. 10, 1566.
DOI: 10.3389/fmicb.2019.01566

Louropoulou, E., Gledhill, M., Achterberg, E. P., Browning, T. J., Honey, D. J., Schmitz, R. A., et al. (2020). Heme b distributions through the Atlantic Ocean: evidence for “anemic” phytoplankton populations. Sci. Rep. 10, 4551.
DOI: 10.1038/s41598-020-61425-0

Ansprechperson: Dr. Martha Gledhill

Dieses Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die German-Israeli Foundation for Scientific Research and Development und das Ocean Frontier Institute finanziert. 

In diesem Projekt arbeiteten wir mit Dr. Robert Fischer und Dr. Robert Ptacnik vom Wassercluster (Lunz, Österreich) zusammen, um die exponentiell gefütterten Batch-Kulturtechnik anzuwenden, um die Begrenzung von Spurenmetallen in marinem Phytoplankton im stationären Zustand zu erreichen. Wir verwendeten den einzelligen Cyanophyten Crocosphaera subtropica in den Experimenten und untersuchten Veränderungen in der Elementstöchiometrie unter Eisenlimitierung.

Hier finden Sie weitere Informationen über das Aquascale-Labor.

Dieses Projekt wurde vom Sonderforschungsbereich 754 gefördert.

Häm b ist ein eisenhaltiger Cofaktor von Hämoproteinen. Häm b macht etwa 20 % des intrazellulären Eisenpools in marinem Phytoplankton aus und Hämoproteine sind für die Photosynthese, die Atmung und die Kontrolle von oxidativem Stress zuständig. In diesen Experimenten arbeitete Dr. Evangelia Louropoulou mit Prof. Dr. Ruth Schmitz-Streit (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) und Prof. Julie LaRoche (Dalhousie University, Kanada) zusammen, um die Regulation des Häm b-Pools in Crocosphaera subtropica zu untersuchen.

Kontakt: Dr. Martha Gledhill

Das Projekt wurde von der Helmholtz-Forschungsschule für Ozeansystemforschung und -technologie gefördert .