Projekt: Einfluss von Licht und CO2 auf die Sukzession von antarktischem Phytoplankton

Saisonale und klimatische Veränderungen in CO2 und Licht in Küstengebieten. Noch heute ist der Einfluss von Ozeanversauerung und deren Auswirkungen auf die Zusammensetzung von Phytoplanktongemeinschaften in Küstengebieten sowie der Einfluss auf die Fixierung und dem Export von Kohlenstoff in die Tiefe zu großen Teilen unbekannt. Neben ansteigendem atmosphärischem Kohlenstoffdioxid (CO2) ist die Lichtintensität ein weiterer wichtiger Umweltfaktor, der sich auf das Wachstum und die Produktivität von Phytoplankton auswirkt. Die Faktoren CO2 und Licht variieren saisonal und werden sich in den nächsten Jahrzehnten aufgrund der Klimaveränderungen stark wandeln. Die Durchmischungstiefe von Oberflächenwasser ist im Frühjahr eher hoch, wodurch eine sehr variable Lichtverfügbarkeit für Phytoplanktongemeinschaften in Küsten- und Schelfgebieten entsteht. Durch höhere Temperaturen wird diese Schichttiefe im Sommer flacher, so dass die Lichtvariabilität abnimmt und insgesamt die Lichtintensität zunimmt. Wie sich die Verfügbarkeit von CO2 und Licht in Küstengewässern auf Phytoplanktongemeinschaften auswirkt ist noch wenig erforscht. Es gibt jedoch Hinweise, dass Lichtintensität und CO2-Konzentrationen einen starken Einfluss auf die Sukzession (die zeitliche Abfolge von Lebensgemeinschaften innerhalb eines Lebensraums) von Phytoplankton im Südozean haben.

Saisonale Veränderungen von CO2-Konzentrationen und Durchmischungstiefen in antarktischen Küstengewässern. Grafik: J. Heiden

Saisonale Veränderungen von CO2-Konzentrationen und Durchmischungstiefen in antarktischen Küstengewässern. Durch die Eisdecke wird der Gasaustausch zwischen Meerwasser und Atmosphäre verhindert und somit ist die CO2-Konzentration im Meerwasser am Ende des Winters erhöht. Zu Beginn des Frühjahres, wenn die Eisdecke aufgebrochen ist, sind die Winde noch stark, wodurch die Durchmischungstiefe hoch ist. Wenn mit dem Sommer die Temperaturen ansteigen und durch die Eisschmelze Frischwasser eingetragen wird, flacht die Mischtiefe ab. Dies ist dadurch bedingt, dass eine salzarme, warme und dadurch leichtere Wasserschicht entsteht, die eine Stratifizierung der Wassersäule hervorruft. Ist diese Stratifizierung hoch und die Mischtiefe des Oberflächenwassers niedrig, steigt die durchschnittliche Lichtintensität der eine Phytoplanktonzelle am Tag ausgesetzt wird an. Die CO2-Konzentration in der obersten Wasserschicht sinkt durch die Fixierung von CO2 in der Photosynthese während Phytoplanktonblüten ab. Sie steigt mit dem Herbst und dem Einsetzen von Winden, die die Wassermassen durchmischen, jedoch wieder an.

Veränderungen in CO2 und Licht durch Klimawandel. Der durch Menschen verursachte Ausstoß von CO2 steigt stetig an und bewirkt, neben den beschriebenen saisonalen Veränderungen in antarktischen Küstengewässern, durch den Gasaustausch zwischen Wasser und Atmosphäre einen generellen Anstieg von CO2-Konzentrationen im Meerwasser. Die prognostizierte Erwärmung des Meeres und der damit einhergehende Eintrag von Frischwasser aus Eisschmelz, wird die Durchmischungstiefe von Oberflächenwasser verringern, was wiederum die Lichtintensität in dieser flacheren Schicht erhöht. Es ist jedoch auch möglich, dass die so erhöhte Stratifizierung durch häufigere und stärkere Winde abgeschwächt oder sogar aufgehoben wird.

Zwei Klimaszenarien mit unterschiedlichen Effekten auf die Durchmischungstiefe des Oberflächenwassers. Grafik: J. Heiden

Zwei Klimaszenarien mit unterschiedlichen Effekten auf die Durchmischungstiefe des Oberflächenwassers. Der durch Menschen verursachte Ausstoß von CO2 steigt stetig an und bewirkt, neben den beschriebenen saisonalen Veränderungen in antarktischen Küstengewässern, durch den Gasaustausch zwischen Wasser und Atmosphäre einen generellen Anstieg von CO2-Konzentrationen im Meerwasser. Die prognostizierte Erwärmung des Meeres und der damit einhergehende Eintrag von Frischwasser aus Eisschmelz, wird die Durchmischungstiefe von Oberflächenwasser verringern, was wiederum die Lichtintensität in dieser flacheren Schicht erhöht. Es ist jedoch auch möglich, dass die so erhöhte Stratifizierung durch häufigere und stärkere Winde abgeschwächt oder sogar aufgehoben wird.

Forschungsansatz. Um die beschriebenen Prozesse besser verstehen zu können, werden verschiedene ökologisch relevante Phytoplanktonarten und eine natürliche Phytoplanktongemeinschaft aus Küstengewässern der besonders gefährdeten Westantarktischen Halbinsel auf kombinierte Effekte von CO2 und Licht untersucht. Ihre Sensitivität gegenüber variierenden CO2-Konzentrationen wird in Kombination mit verschiedenen Lichtintensitäten getestet. Dabei wird konstantes und dynamisches oder auch variierendes Licht untersucht. Dieses Forschungsprojekt hat das Ziel ökophysiologische Eigenschaften zu identifizieren, die saisonale Muster der Phytoplanktonverbreitung erklären, um somit mögliche zukünftige Veränderungen in der Zusammensetzung von Phytoplanktongemeinschaften der antarktischen Küstengewässer zu identifizieren.

Mikroskopaufnahme von Odontella einer Phytoplanktonart, die im Sommer in antartischen Küstengewässern Blüten bildet. Die von links nach rechts dargestellten Zellen wurden ansteigenden Lichtintensitäten (40, 200, 500 µE) ausgesetzt. Fotos: J. Heiden
Jasmin Heiden

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Jasmin Heiden