The Black Sea is an extraordinary body of water: below a depth of 150 metres, it contains no free oxygen, and no higher life forms can survive there. At the same time, the inland sea stores a comparatively high volume of organic carbon. A team of researchers led by Dr Gonzalo Gomez-Saez from the Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar and Marine Research (AWI) and Dr Jutta Niggemann from the University of Oldenburg’s Institute for Chemistry and Biology of the Marine Environment (ICBM) have now put forward a new hypothesis as to why organic compounds accumulate in the depths of the Black Sea – and other anoxic (i.e., oxygen-free) waters – in the journal Science Advances. According to their findings, reactions with hydrogen sulfide play an important part in stabilising the carbon compounds
Im Schwarzen Meer, dessen Fläche fast so groß ist wie Frankreich, herrschen seit rund 7.000 Jahren Bedingungen, wie sie heute nur in wenigen anderen Meeresregionen der Erde vorkommen: Eine stabile Schichtung verhindert weitgehend, dass sich Oberflächen- und Tiefenwasser vermischen. In den oberen 150 Metern befindet sich salzarmes und sauerstoffreiches Wasser, das überwiegend aus Flüssen wie der Donau stammt. Darunter sammelt sich schweres, salzreiches Wasser, das über den Bosporus aus dem Mittelmeer ins Schwarze Meer strömt. An der Oberfläche deutet allerdings nichts darauf hin, dass das Schwarze Meer ein stagnierendes Gewässer ist, in dem Bakterien aufgrund des Sauerstoffmangels übelriechenden Schwefelwasserstoff produzieren.
Dieses reaktionsfreudige Molekül, so zeigt die neue Studie, geht Verbindungen mit Substanzen aus einer vielfältigen Gruppe kohlenstoffhaltiger Stoffe ein, die in jedem Liter Meerwasser enthalten sind: dem gelösten organischen Material (englisch: dissolved organic matter, DOM). Die Reaktionsprodukte sind wiederum langlebiger als die Ausgangsstoffe und reichern sich daher im Wasser an. Das Team verglich Wasserproben von unterschiedlichen Stellen innerhalb und außerhalb des Schwarzen Meeres. Sie stellten fest, dass knapp ein Fünftel aller organischen Moleküle in den sauerstofffreien Bereichen des Schwarzen Meeres Schwefel enthielten – deutlich mehr als in anderen Meeren. Zudem wies das Team nach, dass ein hoher Anteil dieser Verbindungen nur dort vorkommt. Die Schlussfolgerung: Die schwefelhaltigen Substanzen entstehen neu vor Ort durch chemische Reaktionen im schwefelwasserstoffhaltigen Wasser.
Da das gelöste organische Material einen gewaltigen Kohlenstoffspeicher bildet – in allen Weltmeeren zusammen ist ungefähr genauso viel Kohlenstoff gelöst wie sich in Form von CO2 in der Atmosphäre befindet – ist das Ergebnis der aktuellen Studie auch für das Klima von Bedeutung: „Das Volumen sauerstofffreier Ozeanregionen hat sich von 1960 bis 2010 vervierfacht. Daher könnte dieser schwefelbasierte Mechanismus zur Speicherung von Kohlenstoff in Zukunft einen Einfluss auf die Ozeanchemie haben“, so Hauptautor Gomez-Saez. Unter aktuellen Bedingungen sei diese Rückkopplung allerdings zu schwach, um den Klimawandel merklich zu beeinflussen. In der geologischen Vergangenheit gab es indessen mehrfach Perioden, in denen in einem Großteil der Ozeane Sauerstoffmangel herrschte. Damals könnte der Effekt dazu beigetragen haben, langfristig Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen.
Die Wasserproben aus dem Schwarzen Meer stammten von einer Fahrt des Forschungsschiffs Maria S. Merian. An der Studie waren neben dem AWI- und ICBM-Team auch Forscherinnen und Forscher des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen beteiligt.
Originalveröffentlichung:
Gonzalo V. Gomez-Saez et al: “Sulfurization of dissolved organic matter in the anoxic water column of the Black Sea”, Science Advances, 7, eabf6199. DOI: 10.1126/sciadv.abf6199