Phytochange

Mission – Mit unserer Forschung wollen wir die Reaktionen des marinen Phytoplanktons auf multiple Stressoren, z.B. Ozeanversauerung und Erwärmung, beschreiben, verstehen und vorhersagen. Hierbei fokussieren wir uns auf die Region, die am stärksten vom Klimawandel beeinflusst wird, den Arktischen Ozean. Durch die Betrachtung von molekularen bis hin zu ökologischen Prozessen wollen wir Limitierungen und Trade-offs in Stoffwechselwegen identifizieren, die entscheidend für die Konkurrenzfähigkeit der Arten sind. Neben diesem Prozessverständnis untersuchen wir die Diversität in den Reaktionsmustern, d.h. die inner- und zwischenartliche Plastizität gegenüber Stressoren, die uns Aussagen über die Sensitivität von einzelnen Arten bis hin zu Gruppen erlaubt. Basierend auf dem Prozessverständnis und dem Wissen um diese Diversität sollen letztlich mögliche Artenverschiebung sowie funktionelle Änderungen in marinen Ökosystemen vorhergesagt werden.

Algen blühen in der Barents Sea, Foto: ESA

Phytoplankton - Trotz seiner mikroskopischen Größe ist das Phytoplankton für rund die Hälfte der globalen  Primärproduktion verantwortlich und produziert damit jedes zweite Sauerstoffmolekül das wir atmen. Da diese Organismen zudem auch noch den Kohlenstoff und damit die Energie für alle höheren trophischen Stufen liefern, ernähren und gestalten sie letztlich die meisten marinen Ökosysteme. Phytoplankton kann in sogenannte funktionelle Gruppen eingeteilt werden , welche die Stoffkreisläufe auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Der Export von Kohlenstoff und anderen Elementen in die Tiefsee und die Sedimente ist besonders effektiv bei solchen Arten, die sogenannte ‚Algenblüten‘ mit hohen Zelldichten bilden (siehe Beispiel im Satellitenbild). In Hinblick auf die fundamentale Rolle in Ökosystemen und Stoffkreisläufen wird klar, dass jede Änderung in der Produktivität oder Artenzusammensetzung des Phytoplanktons weitreichende Auswirkungen auf das marine Ökosystem sowie das globale Klima haben wird.

Erwartete Veränderungen durch den Globalen Wandel (Foto: Alfred-Wegener-Institut)

Globaler Wandel –  Im Zuge des Anstiegs des atmosphärischen CO2 Gehalts werden Konzentrationen bis zu 1000 ppm CO2 noch in diesem Jahrhundert prognostiziert, und tiefgreifende Veränderungen im marinen System werden erwartet (siehe Schema). Zunächst führt CO2 als Treibhausgas zu einer Erwärmung des Ozeans: die mittleren Temperaturen des Oberflächenwassers haben sich bereits um 0.7°C erhöht und ein Anstieg von weiteren 3°C werden bis zum Ende des Jahrhunderts erwartet, wobei sich Regionen wie der Arktische Ozean am schnellsten erwärmen. Die Erwärmung und die mit der Meereisschmelze einhergehende Erniedrigung der Salinität führen weiterhin dazu, dass der Oberflächenozean stärker stratifiziert wird. In der Folge erniedrigt sich nicht nur die Nährstoffzufuhr aus tieferen Wasserschichten, sondern in der nun flacheren Oberflächendeckschicht wird das Phytoplankton zudem auch einem veränderten Lichtregime ausgesetzt. Es gibt aber noch ein anderes Problem, welches direkt aus dem erhöhten CO2 Gehalt resultiert: Da ein Großteil des anthropogenen CO2 von den Ozeanen aufgenommen wird, steigen die aquatischen Konzentrationen von CO2 und Hydrogenkarbonat an, wohingegen die Konzentration der Karbonationen und der pH abnehmen, auch als Ozeanversauerung bekannt. Seit der industriellen Revolution hat sich der mittlere pH des Oberflächenozeans bereits um etwa 0,1 Einheiten erniedrigt und es werden weitere 0,3 Einheiten bis zum Ende diesen Jahrhunderts erwartet; das entspricht einem 150 prozentigen Anstieg in der Konzentration von Protonen (H+). Zusammengefasst bedeutet dies, dass viele abiotische Umweltparameter sich simultan ändern, die allesamt direkt auf die Produktivität und die Artenzusammensetzung des Phytoplanktons wirken.