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Der benthische biogeochemische Eisenzyklus in arktischen Fjorden
Gletschereis und subglaziales Schmelzwasser sind aufgrund von physikalischer und chemischer subglazialer Verwitterung reich an lithogenem Material, das auch viel Eisen enthalten kann. Gletscher sind daher eine wichtige Eisenquelle für den Ozean. Gletscher, die bis ins Meer reichen (Meeresgletscher), liefern Eisen über subglaziales Schmelzwasser und durch Eisberge, die während ihrer Reise durch den Fjord und den Ozean langsam schmelzen sobald sie vom Gletscher abgekalbt sind. Ein Großteil des Eisens in Gletschermaterial ist partikulär oder wird partikulär, sobald es beim Kontakt mit sauerstoff- und salzhaltigem Fjordwasser zu Oxidations- und Flockungsprozessen kommt. Es wird geschätzt, dass sich deshalb bis zu 95% des aus Gletschern stammenden Eisens in Sedimenten nahe den Gletschern absetzt. Nachdem das Eisen in den Sedimenten abgelagert wurde, wird es durch ein Zusammenspiel von mikrobiellen und abiotischen Reaktionen, die zusammen den benthischen biogeochemischen Eisenkreislauf bilden, umgesetzt. Dadurch ändern sich nicht nur die Eigenschaften des Eisens aus den Gletschern, sondern dies beeinflusst auch was mit dem Eisen passiert, d.h. ob es schlussendlich in den Sedimenten begraben oder in die Wassersäule zurückgeführt wird.
Die Arktis weist derzeit die weltweit höchste Erwärmungsrate auf, was zu einer zunehmenden Schrumpfungs- und Rückzugsrate der Gletscher führt. Wenn sich Gletscher vom Meer auf das Land zurückziehen, ändern sich die Eigenschaften des Gletschermaterials, da Schmelzwasser vor dem Eintritt in den Fjord nun durch einen terrestrisches Gletschervorfeld fließt. Der Rückzug der Gletscher auf das Land verändert außerdem die Hydrologie und Biogeochemie des gesamten Fjordes.
Die Treibende Kraft für die biogeochemischen Kreisläufe in Fjord-Sedimenten, einschließlich des Eisenzyklus, sind Mikroorganismen. Es ist jedoch nicht genau bekannt, wie ihre Aktivität in diesen Sedimenten gesteuert wird und wie dies durch den Rückzug der Gletscher beeinflusst werden könnte. Das Verständnis davon ist aber wichtig, auch um Vorhersagen über die Folgen künftiger Änderungen treffen zu können.
Das Ziel meiner Forschung ist es, die Rolle von Fjord-Sedimenten als biogeochemisch aktive Grenzfläche, die Gletscher mit dem ozeanischen Schelf und dem offenen Ozean verbindet, besser zu verstehen. Dazu gehört zu verstehen, wie sich die Funktion mikrobieller Gemeinschaften in Fjord-Sedimenten gesteuert ist und wie sie sich aufgrund des Gletscherrückzugs ändern kann. Der Schwerpunkt liegt aus mehreren Gründen auf dem benthischen biogeochemischen Eisenkreislauf. (i) Eisen ist ein redoxaktives Element und kann von vielen Mikroorganismen zur Energieerzeugung und zum Wachstum verwendet werden. (ii) Der benthische Eisenzyklus ist durch verschiedene biotische und abiotische Reaktionen mit vielen anderen Elementzyklen verbunden, wie dem Schwefel-, Kohlenstoff- oder Stickstoffkreislauf. (iii) In der Wassersäule ist Eisen ein wichtiger aber häufig limitierender Nährstoff für Phytoplankton. Während eisenreiche Fjordsedimente das Potenzial haben, eine Eisquelle für die Wassersäule zu sein. Daher ist es auch wichtig, die benthisch-pelagische Kopplung zu untersuchen. (iv) Darüber hinaus kontrolliert die Bildung und Auflösung von Eisenmineralien in Sedimenten das Schicksal anderer Nährstoffe, aber auch von Schadstoffen in der Umwelt.
Aktuelle Untersuchungsgebiete dieses Projekts sind Fjorde an der Westküste von Spitzbergen und an der Ostküste Grönlands. Diese Gebiete bieten die Möglichkeit, Fjorde mit unterschiedlichen Gletscher- und Muttergesteinstypen zu untersuchen. Dies gibt uns die Möglichkeit besser zu verstehen wie sich diese Faktoren, z.B. auch der Rückzug der Gletscher auf das Land, auf die Biogeochemie von Fjord-Sedimenten auswirken könnten.
Projektbezogene Publikationen:
- Herbert LC, Zhu Q, Michaud AB, Laufer-Meiser K, Jones CK, Riedinger N, Stooksbury ZS, Aller RC, Jørgensen BB, Wehrmann LM (in review). Benthic iron flux influenced by climate-sensitive interplay between organic carbon availability and sedimentation rate in Arctic fjords.
- Laufer-Meiser K, Michaud AB, Maisch M, Byrne JM, Kappler A, Patterson MO, Røy H and Jørgensen BB. Potentially bioavailable iron produced through benthic cycling in glaciated Arctic fjords of Svalbard. Nature Communications, 12, 1349. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-21558-w
- Jørgensen BB, Laufer K, Michaud, AB, Wehrmann, LM (2021). Biogeochemistry and microbiology of high Arctic marine sediment ecosystems – case study Svalbard fjords. Limnology and Oceanography 66,273-292.
- Herbert LC, Riedinger N, Michaud AB, Laufer K, Røy H, Jørgensen BB, Heilbrun C, Aller RC, Cochran KJ, Wehrmann LM. 2020. Glacial controls on redox-sensitive trace element cycling in Arctic fjord sediments (Spitsbergen, Svalbard). Geochim. Cosmochim. Acta 271: 33–60. DOI: 10.1016/j.gca.2019.12.005
- Michaud AB, Laufer K, Findlay A, Pellerin A, Antler G, Turchyn AV, Røy H, Wehrmann LM and Jørgensen BB (2020). Glacial influence on the iron and sulfur cycles in Arctic fjord sediments (Svalbard). Geochimica et Cosmochimica Acta. DOI: 10.1016/j.gca.2019.12.033
- Carlson DF, Pasma J, Jacobsen ME, Hansen MH, Thomsen S, Lillethorup JP, Tirsgaard ST., Flytkjaer A, Melvad C, Laufer K, Lund-Hansen C, Meire L, Rysgaard S. (2019) Retrieval of Ice Samples Using the Ice Drone. Frontiers in Earth Science, Vol. 7, p. 287. DOI: 10.3389/feart.2019.00287
- Laufer K, Michaud AB, Røy H and Jørgensen BB. (2020) Reactivity of Iron Minerals in the Seabed Toward Microbial Reduction – A Comparison of Different Extraction Techniques. Geomicrobiology Journal, 37:2, 170-189. DOI: 10.1080/01490451.2019.1679291
- Buongiorno J, Herbert L, Wehrmann L, Michaud AB, Laufer K, Røy H, Jørgensen BB, Szynkiewicz A, Faiia A, Yeager K, Schindler K, Lloyd K. (2019) Complex microbial communities drive iron and sulfur cycling in Arctic fjord sediments. Applied and Environmental Microbiology. DOI: 10.1128/AEM.00949-19
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