Ein Forschungsteam hat Wasserproben von zwei Expeditionen mit dem Forschungs-Eisbrecher „Polarstern“ untersucht, um herauszufinden, wie das Leben im Ozean und die sich verändernden Umweltbedingungen auf dem antarktischen Schelf den Kohlenstoff beeinflussen, der in die Tiefsee transportiert wird. Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie kommt zu einem überraschenden Ergebnis: Trotz intensiver biologischer Aktivität und erheblicher Veränderungen in den Wassermassen bleiben Menge und Zusammensetzung der gelösten organischen Substanzen nahezu unverändert.
Wie antarktische Wassermassen Kohlenstoff in die Tiefsee transportieren
Meeresströmungen bewegen Wasser in einem riesigen Zirkulationssystem rund um den Globus. Der antarktische Kontinentalschelf spielt dabei eine wichtige Rolle. Tiefenwasser, das aus dem Norden heranströmt, gelangt auf den Schelf, wo es durch extreme Kälte und die Bildung von Meereis an Dichte gewinnt. Dieses schwere Wasser sinkt dann wieder in die Tiefsee ab und trägt zur Bildung des antarktischen Bodenwassers bei – der kältesten, dichtesten und einer der voluminösesten Wassermasse in den Weltmeeren.
Während das Wasser den Kontentalschelf überquert, trifft es auf eine reichhaltige Meeresfauna und aktive biologische Prozesse. Ein Forschungsteam ging der Frage nach, ob diese Prozesse den im Wasser enthaltenen Kohlenstoff verändern, bevor das Wasser in die Tiefsee absinkt. Die Antwort ist von Bedeutung, da steigende Temperaturen und schwindendes Meereis die Art und Weise verändern könnten, wie der Südliche Ozean Kohlenstoff speichert und transportiert.
Das südliche Schelfgebiet des Weddellmeers ist ein wichtiger Ort für die Bildung des antarktischen Bodenwassers. Da es abgelegen und schwer erreichbar ist, sind für die Erforschung dieser Region spezialisierte Forschungsschiffe erforderlich, wie etwa der Eisbrecher Polarstern, der vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), betrieben wird.
Ein genauerer Blick auf den Kohlenstoff im Ozean
Gelöste organische Substanzen spielen eine entscheidende Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie entstehen sowohl bei der Produktion als auch beim Abbau von Biomasse und bestehen aus Zehntausenden unterschiedlichen Verbindungen. Einige davon werden von Mikroorganismen rasch konsumiert, während andere über sehr lange Zeiträume bestehen bleiben können. Insgesamt bilden diese Substanzen eines der größten Reservoirs organischen Kohlenstoffs im Ozean. Zu verstehen, wie sie transformiert und durch die Meeresumwelt transportiert werden, ist daher entscheidend, um die Reaktion der Ozeane auf den Klimawandel besser vorhersagen zu können.
Ein internationales Team unter der Leitung des Erstautors Dr. Gonzalo V. Gomez-Saez analysierte Wasserproben, die während zweier Polarstern-Expeditionen ins südliche Weddellmeer in den Jahren 2016 und 2021 entnommen wurden. Gonzalo Gomez-Saez leitet derzeit eine Emmy-Noether-Forschungsgruppe an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Zuvor arbeitete er am AWI zusammen mit den beiden leitenden Autoren der Studie, Dr. Moritz Holtappels vom AWI und Prof. Dr. Thorsten Dittmar vom Institut für Chemie und Biologie der Meere (ICBM) der Universität Oldenburg.
Um mögliche Veränderungen des Kohlenstoff nachzuweisen, kombinierte das Team mehrere sich ergänzende Methoden. Das ICBM verfügt über eine einzigartige Ausstattung hochmoderner Analysegeräte, mit denen die molekulare Zusammensetzung und Struktur komplexer Gemische organischer Substanzen außerordentlich detailliert untersucht werden kann. Modernste Datierungsanalytik mit dem AWI-14C-Beschleunigermassenspektrometer MICADAS (Mini Carbon Dating System) half dem Team dabei, das Alter des Kohlenstoffs zu bestimmen.
Warum das Fehlen des molekularen Fingerabdrucks überraschend ist
Die Ergebnisse waren verblüffend. Angesichts der intensiven saisonalen Blüte des Phytoplanktons auf dem antarktischen Kontinentalschelf hatten die Wissenschaftler erwartet, dass frisch gebildete „labile“ (leicht abbaubare) organische Substanzen einen deutlichen molekularen Abdruck im Wasser hinterlassen würden, das in die Tiefsee absinkt. Stattdessen stellten die Forscher fast keine nachweisbaren Veränderungen in der Menge oder Zusammensetzung der in die Tiefsee transportierten gelösten organischen Substanz fest. Die auf dem Schelf ablaufenden Prozesse hatten in diesem riesigen Kohlenstoffreservoir keine Spuren hinterlassen.
Der Schlüssel zu diesem Paradoxon liegt in der Zeit. Dichtes Wasser verweilt auf dem Kontinentalschelf des Weddellmeers ungewöhnlich lange – zwischen sechs und zwölf Jahren –, da es während dieser Zeit auch unterhalb des großen Filchner-Ronne-Schelfeises zirkuliert. Dieser verlängerte Verbleib in der Schelfeiskaverne gibt Mikroben genügend Zeit, neu gebildeten Oberflächenkohlenstoff vollständig abzubauen und in gelösten anorganischen Kohlenstoff zu remineralisieren, bevor das Wasser den Kontinentalschelf verlässt.
„Unsere Studie zeigt, dass die molekularen Eigenschaften der gelösten organischen Substanz während der Tiefenwasserbildung im südlichen Weddellmeer erhalten bleiben“, sagt Gonzalo Gomez-Saez. „Unsere Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der gelösten organischen Substanz als stabilen Bestandteil des regionalen Kohlenstoffkreislaufs im Südlichen Ozean.“
„Gelöste organische Substanz ist ein riesiger und komplexer Kohlenstoffspeicher im Ozean. Indem wir ihre Moleküle im Detail untersuchen, können wir erforschen, wie sie verändert werden, während sich das Wasser über den antarktischen Kontinentalschelf bewegt“, sagt Prof. Dr. Thorsten Dittmar vom ICBM.
Stabilität in einem sich wandelnden Ozean
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser große Kohlenstoffspeicher bemerkenswert unempfindlich gegenüber Veränderungen ist, während das Wasser den antarktischen Kontinentalschelf durchströmt. „Die globale Erwärmung erreicht nun auch die antarktischen Schelfmeere. Wenn das große Reservoir an gelöstem organischem Material von den Prozessen auf dem Schelf kaum beeinflusst wird, deutet dies darauf hin, dass dieses Kohlenstoffreservoir vom Klimawandel in dieser Region zunächst unberührt bleiben könnte“, sagt Dr. Moritz Holtappels, Biogeochemiker am AWI.
Allerdings verhalten sich nicht alle Formen von Kohlenstoff im Ozean zwangsläufig auf dieselbe Weise. Während gelöster organischer Kohlenstoff stabil bleibt, reagieren andere Formen – wie zum Beispiel organische Partikel, die auf den Meeresboden sinken, oder gelöster anorganischer Kohlenstoff im Meerwasser – möglicherweise stärker auf Veränderungen der Temperatur, der Meereisbedeckung und der marinen Lebewesen.
Die Antarktis im Wandel erforschen
Die Forschenden werden auch künftig untersuchen, wie verschiedene Formen von Kohlenstoff auf Umweltveränderungen reagieren. Ein wichtiger Beitrag dazu ist Antarctica InSync, eine internationale Initiative mit dem Ziel, die sich rasch wandelnde antarktische Umwelt zu erforschen.
Im Rahmen dieser Initiative wird der Ozeanograph und Mitautor der Studie, Prof. Dr. Alexander Haumann, ebenfalls am AWI und an der LMU München tätig, im Jahr 2028 eine Polarstern-Expedition ins Weddellmeer leiten. Das Team wird untersuchen, wie Kohlenstoff während des antarktischen Winters durch den Südlichen Ozean transportiert wird. Diese Beobachtungen sollen helfen, besser zu verstehen, wie sich der Klimawandel auf die Fähigkeit des Ozeans auswirken könnte, Kohlenstoff zu transportieren und zu speichern.
Beteiligte Institutionen:
Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)
Ludwig-Maximilians-Universität München
ICBM - Institut für Chemie und Biologie des Meeres der the Universität Oldenburg
MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen
IUP - Institut für Umweltphysik der Universität Bremen
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen
National Oceanography Centre in Southampton, UK
Originalpublikation
Gonzalo V. Gomez-Saez, Sarah K. Bercovici, Marit Renken, Sahithya P. B. Vemulapalli, Andreas Rogge, Hendrik Grotheer, F. Alexander Haumann, Moritz Holtappels, Thorsten Dittmar: Conserved molecular properties of dissolved organic matter during Weddell Sea Deep Water formation, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-79040-4
