Klimawandel: Wenn dem Meer der Sauerstoff ausgeht

Dr. Gonzalo Gomez Saez steht an Bord der Aurora. Das dänische Forschungsschiff der Universität Aarhus treibt auf dem Mariager Fjord, dessen spiegelglatte Wasseroberfläche die Wolken und das nahegelegene Ufer heute Morgen besonders schön reflektieren. Trotz der idyllischen Szenerie ist Gomez Saez angespannt.

Gerade hat die Besatzung eine sogenannte CTD-Rosette ins Wasser gelassen. Die Unterwasser-Sonde ist mit Sensoren für Temperatur, Leitfähigkeit, Wasserdruck und Sauerstoffgehalt ausgestattet – und mit zwölf Probenfläschchen, die man beim Einholen des Geräts gezielt schließen kann. Als wissenschaftlicher Leiter der Expedition muss Gomez-Saez entscheiden, wann. Nur drei Tage hat er insgesamt Zeit, geeignete Proben für seine Experimente zu sammeln, in denen er untersucht, welche organischen Verbindungen sich unter verschiedenen Bedingungen im Wasser anreichern.

„Jetzt, bei 14 Metern!“, gibt der Biogeochemiker seinem Kollegen von der Schiffscrew über ein Walkie-Talkie durch – und hofft, diesmal die richtige Tiefe erwischt zu haben. Er will Wasser aus genau der Zone beproben, wo der Sauerstoffgehalt abrupt abfällt, der Übergangszone zwischen sauerstoffhaltigem und sauerstofffreiem Wasser. Im Mariager Fjord ist das eine Frage von Zentimetern. „Innerhalb von einem halben Meter kann die Sauerstoffkonzentration hier von 20 Prozent auf unter 0.2 Prozent abfallen“, erklärt Gomez-Saez, der am Department für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU eine Forschungsgruppe leitet, die sich mit den Sauerstoffbedingungen im Meer beschäftigt. „Ich will aber Wasser aus der hypoxischen Zone erwischen, in der noch ein bisschen Sauerstoff vorhanden ist.“

Sauerstoffverlust durch Klimawandel

Der Meeresarm an der Ostseeküste im nördlichen Teil von Jütland gehört nämlich zu denjenigen Orten auf der Welt, an denen man sogenannte anoxische Bedingungen, also das Fehlen von Sauerstoff im Wasser, vorfindet – zumindest im Sommer. Ziel der vier Forschungsteams aus Dänemark (Center for Electromicrobiology der Universität Aarhus und Süddänische Universität), Schweden (Universität Göteborg) und Deutschland (LMU), die sich der vom Dänischen Zentrum für Meeresforschung geförderten DeoxyMar-Expedition auf der Aurora angeschlossen haben, ist die Untersuchung eines Phänomens, das sich in den letzten Jahrzehnten auf dem Globus zunehmend verstärkt und katastrophale Folgen für marine Ökosysteme haben könnte: Die Desoxygenierung der Meere.

„In den letzten 50 Jahren haben die Weltmeere insgesamt rund zwei Prozent ihrer Sauerstoffkonzentration verloren“, erklärt der LMU-Forscher. „In diesem Zeitraum haben sich außerdem die Gebiete, die dauerhaft sauerstofffrei sind, vervierfacht.“ Es wird davon ausgegangen, dass bis zum Jahr 2100 weitere ein bis sieben Prozent des Sauerstoffs aus dem Meer verschwinden werden.

Große anoxische Zonen finden sich überall auf der Welt, häufig in Küstennähe, beispielsweise in der Karibik, oder im Schwarzen Meer. Der mit maximal 25 bis 30 Metern sehr flache Mariager Fjord bietet gleich mehrere Vorteile für die Erforschung anoxischer Gewässer: „Wir finden hier in nur 25 Metern Tiefe die gleichen sauerstofflosen Bedingungen vor wie im Schwarzen Meer in 2000 Metern Tiefe“, erklärt Gomez-Saez.

Das erleichtere die Probennahme immens: „Im Schwarzen Meer dauert es über eine Stunde, bis die CDT-Rosette mit den Proben wieder auftaucht. Hier können wir extrem schnell Proben nehmen und direkt mit der Arbeit beginnen.“ Das mache den Fjord zu einem perfekten natürlichen Reallabor. Außerdem sei hier im Notfall stets das Ufer in Reichweite und der Wellengang gering. „Hinzu kommt, dass es aktuell nicht ungefährlich ist, vor der Küste der Krim oder in den Gewässern vor Venezuela zu forschen.“

Leben in der Todeszone

Neben steigenden Wassertemperaturen und der Ozeanversauerung ist Desoxygenierung eine der verheerendsten Auswirkungen des Klimawandels auf das Meer. Für viele Lebewesen – alle, die im klassischen Sinne atmen – ist Sauerstoff überlebensnotwendig. Ein Großteil aller Mehrzeller gehört zu dieser Gruppe. Verschwindet der Sauerstoff, sterben sie. Anoxische Zonen werden deshalb gerne auch als Todeszonen bezeichnet.

Gonzalo Gomez-Saez, dessen Emmy-Noether-Forschungsgruppe sich mit Ozean-Desoxygenierung aus biogeochemischer Sicht befasst, findet den Ausdruck etwas unglücklich: „Ich mag diesen Begriff nicht, denn anoxische Zonen sind nicht tot. Es gibt einige Lebewesen, die dort problemlos ohne Sauerstoff auskommen.“ Für viele dieser anaerob lebenden Organismen – bestimmte Schwefelbakterien zum Beispiel – sei Sauerstoff sogar giftig.

Deswegen muss es jetzt auch schnell gehen: Die CTD-Rosette ist eingeholt und hat zwölf frische Proben aus verschiedenen Wassertiefen mit an die Oberfläche befördert. Die Proben aus den sauerstoffarmen und sauerstofffreien Zonen werden sofort mit Stickstoffgas behandelt, um zu verhindern, dass sie an der Luft oxidieren, was einige der darin enthaltenen Lebewesen töten und damit die mikrobielle Zusammensetzung und biochemische Stoffwechselwege verändern würde.

Experimente an Bord

Mit ihren Versuchen wollen die Forschenden verstehen, wie die im Meerwasser gelösten organischen Substanzen mit den darin lebenden Mikroorganismen und den vorherrschenden Sauerstoffverhältnissen zusammenhängen. Manche dieser organischen Verbindungen werden sehr schnell von den Mikroben abgebaut. Andere hingegen reichern sich über Tausende von Jahren in den Ozeanen an. „Wir wissen aktuell noch nicht, warum einige Verbindungen so leicht abgebaut werden und andere nicht“, sagt Gomez-Saez.

Fest steht jedoch: In Regionen mit Sauerstoffmangel reichern sich bestimmte Verbindungen besonders stark an. Eine Reihe von Versuchen soll aufklären, warum das so ist. Der gebürtige Spanier und sein Team bringen die gerade eingesammelten Proben ins schiffseigene Labor der Aurora. Einen Teil davon untersuchen sie direkt hier auf dem Wasser. In ihren Experimenten können sie zum Beispiel die Sauerstoffkonzentration in den verschiedenen Proben künstlich variieren oder mit bestimmten Substraten anreichern und untersuchen, wie die Organismen darauf reagieren.

Ergänzend zur Standardausstattung des Forschungsboots haben Gomez-Saez und die Expeditionsmitglieder aus Dänemark extra einen Container mit an Bord gebracht, in dem sich ein Speziallabor für Experimente mit radioaktiven Stoffen befindet. „Dafür mussten wir einen ganzen Haufen Auflagen erfüllen“, erinnert er sich und lächelt müde. Nur er und zwei dänische Kollegen – die Professoren Bo Thamdrup und Kasper Kjeldsen – dürfen darin arbeiten.

„In diesem Container füttern wir die Mikroben aus den Proben mit radioaktiv markierten Molekülen und können so verfolgen, wo diese landen.“ Im Idealfall, so hofft Gomez-Saez, legt seine Forschung den Grundstein für die Entwicklung einer Art biologischen Sanierung, bei der gezielt eingesetzte Mikroben mit ihrem Stoffwechsel anoxische Zonen wieder re-oxygenieren könnten. „Aber das ist noch völlige Zukunftsmusik“, fügt er hinzu.

Ein Fjord erholt sich

Hoffnung macht ihm die Geschichte des Mariager-Meeresarms: Im Sommer 1997 kippte das Gewässer und wurde komplett anoxisch – null Sauerstoff vom Grund bis zur Oberfläche. Die Strände waren übersät mit Bergen toter Fische und es stank erbärmlich nach Schwefel und Verwesung. Das war nicht nur eine ökologische, sondern auch eine wirtschaftliche Katastrophe – denn der Mariager ist ein beliebtes Urlaubsgebiet. Von den postapokalyptischen Zuständen waren Anwohnerinnen und Touristen nicht gerade begeistert.

Heute ist die Wassersäule im Sommer nur ab einer Tiefe unterhalb von etwa 15 Metern sauerstofffrei. Doch wie kehrte der Sauerstoff zurück in den Mariager? „Neben der Globalen Erwärmung gibt es einen weiteren wichtigen Faktor, der zur Entstehung anoxischer Zonen beiträgt: Der übermäßige Eintrag von Nährstoffen, meist in Form von Düngemitteln“, erklärt Gonzalo Gomez-Saez.

Dass er heute auch sauerstoffhaltige und hypoxische Proben sammeln konnte, verdankt er der Tatsache, dass der Einsatz von Stickstoff- und Phosphatdünger in der Region in Reaktion auf den Sommer 1997 drastisch reduziert wurde. „An diesem Beispiel zeigt sich, dass vom Menschen verursachte Umweltschäden, einschließlich den Auswirkungen der Klimakrise, behoben oder zumindest entschärft werden können, wenn Politik und Wissenschaft mit einem gemeinsamen Ziel an einem Strang ziehen.“