ANT-XXVI/4, Wochenbericht Nr. 4

27. April - 3. Mai 2010

Die Kalmen liegen hinter uns, und die frische Brise des Nordostpassats bringt eine willkommene Erfrischung. Das blasse Himmelsblau mit einem leichten Gelbstich über dem Horizont ist ein untrügliches Anzeichen für das Vorhandensein von Staub in der Atmosphäre. Auch zeigen die Vorhersagemodelle bereits seit Tagen ein markantes Aerosolband von Nordwestafrika entlang von 10-15°N bis in die Karibik. Und in der Tat sind die Filter der Aerosolkollektoren nicht mehr makellos weiß, wie in den letzten Wochen, sondern mit einem gelbbraunen Material belegt. Doch zum Thema Staub habe ich ja in der letzten Woche ausgiebig berichtet.

In meinem 4. Wochenbericht möchte ich zwei weitere Arbeitsgebiete vorstellen, die auf den ersten Blick völlig ohne Verbindung erscheinen, aber auf den zweiten Blick sehr wohl direkte Bezüge besitzen. Das eine beinhaltet Untersuchungen zur Biogeographie von marinen Stickstofffixierern, die eine biologische Arbeitsgruppe des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (Wiebke Mohr, Scarlett Sett) durchführt. Das andere umfasst chemische Messungen von Wasserstoff, die von Sylvia Walter vom Institute for Marine and Atmospheric Research der Universität Utrecht, Niederlande (IMAU) vorgenommen werden.

Makronährstoffe wie Stickstoff und Phosphor sind in vielen Ozeanregionen die limitierenden Faktoren der Primärproduktion. Die meisten Organismen benötigen Stickstoff in gebundener Form, z.B. als Nitrat oder Ammonium. Diese sind jedoch – im Gegensatz zum molekularen Stickstoff (N₂) – im Oberflächenwasser der meisten Ozeanregionen nur in geringen Konzentrationen verfügbar. Lediglich Stickstofffixierer, so genannte Diazotrophe, sind in der Lage, ähnlich den mit bestimmten Pflanzen in Symbiose lebenden Knöllchenbakterien an Land, molekularen Stickstoff zu spalten und somit als Stickstoffquelle zu erschließen. Dazu benötigen sie eine spezielle, entwicklungsgeschichtlich sehr alte Enzymausstattung, den Enzymkomplex Nitrogenase. Stickstofffixierende Organismen können jedoch selbst wiederum durch die Nährstoffe Phosphor und Eisen limitiert sein. Es ist bekannt, dass atmosphärischer Staub diese beiden Elemente im Meerwasser freisetzen kann (siehe 3. Wochenbericht) und daher für die marine Stickstofffixierung eine wichtige Rolle spielt. Der tropische Nordostatlantik ist durch den starken Eintrag von Saharastaub daher eine ausgesprochen interessante Region. Die Arbeiten auf dieser Reise dienen vor allem der Biogeographie stickstofffixierender Organismen. Dabei kommen vor allem molekularbiologische Methoden zum Einsatz, um Abundanz und Transkription – also Vorhandensein und tatsächliche Nutzung – des nifH-Gens, welches die Kodierung für einen Teil des Nitrogenase-Enzymkomplexes beinhaltet, zu bestimmen. Durch die Entnahme von Wasserproben aus verschiedensten Tiefen wird dabei nicht nur ein Einblick in regionale sondern auch vertikale Verteilungsmuster gewonnen. Zusätzliche Inkubationsexperimente erlauben durch den Einsatz von isotopisch markiertem Stickstoff (¹⁵N₂) auch die Bestimmung von Stickstoff-Fixierungsraten unter realistischen Temperatur- und Lichtbedingungen.

Wasserstoff ist einer der vielversprechenden Energieträger der Zukunft. Eine Nutzung von Wasserstoff im großen Stil könnte jedoch mit einem erheblichen Anstieg anthropogener Wasserstoffemissionen verbunden sein. Im Vergleich zu anderen Spurengasen ist bisher wenig über den atmosphärischen Wasserstoffkreislauf und die Quellen und Senken von Wasserstoff bekannt. Um den möglichen Einfluss anthropogener Emissionen auf die Chemie der Atmosphäre zuverlässig abschätzen zu können, ist ein besseres Verständnis der globalen Zusammenhänge Voraussetzung für eine großtechnische Einführung der Wasserstofftechnologie. Der Ozean gilt als natürliche Quelle für atmosphärischen Wasserstoff. Dieser entsteht sowohl aus dem photochemischen Abbau organischer Verbindungen als auch durch biologische Prozesse wie – und hier kommt der spannende Bezug zum biologischen Thema – durch marine Stickstofffixierer wie Trichodesmium. Auf dieser Reise wird daher kontinuierlich die Konzentration von Wasserstoff (und Kohlenmonoxid) in Atmosphäre und Oberflächenwasser bestimmt. Zusätzliche genommene diskrete Proben sind für Isotopenuntersuchungen am IMAU vorgesehen, die nähere Informationen über die Herkunft des Wasserstoffs liefern. Das Hauptaugenmerk der Reise liegt auf den Verteilungsmustern von Wasserstoff in den beiden Hemisphären sowie den unterschiedlichen durchfahrenen Ozeanregionen.  Dieses Beispiel von fachlich-methodisch sehr unterschiedlichen wissenschaftlichen Ansätzen, die am Ende aber eng verknüpfte Prozesse aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten und sich dabei in mitunter überraschender Weise sehr positiv gegenseitig beeinflussen können, ist typisch für das System Ozean und die meereskundliche Forschung.

Bleibt mir nur noch – stellvertretend für alle anderen – die herzlichsten Grüße zu übermitteln,

Arne Körtzinger