Das ENSO-Phänomen

Sauerstoffminimumzone

Engl. oxygen minimum zone; intermediärer Bereich im Ozean der Tropen und Subtropen unterhalb des Oberflächenwassers (ca. 200 m bis 1000 m Tiefe) mit niedriger Sauerstoffsättigung. Der Sauerstoff wird durch Respiration von Organismen sowie durch anaerobe Ammoniak-Oxidation und Denitrifikation herabsinkender organischer Substanz in der Wassersäule verbraucht (durch anaerobe Atmung von Bakterien entsteht molekularer Stickstoff, der aus dem Wasser in die Luft entweicht).. Die Neuzufuhr von Sauerstoff ist nur im Kontaktbereich von Ozean und Atmosphäre an der Wasseroberfläche möglich. Die starke Dichtestratifizierung zwischen Oberflächen- und intermediärem Wasser verhindert die Zirkulation und Durchmischung beider Wassermassen und limitiert die Neuzufuhr von Sauerstoff. Die Sauerstoffminimumzonen entstehen vorrangig an den Osträndern der Ozeane und sind heute vor der Westküste Amerikas, im Arabischen Meer, der Bucht von Bengalen, und vor Nordwest-Afrika ausgebildet. Vor Peru erstreckt sich die größte Sauerstoffminimumzone aller tropischen Ozeane. Dies ist vor allem den dortigen Auftriebsvorgängen geschuldet mit ihrem Reichtum an Biomasse und den damit verbundenen bakteriellen Abbauprozessen, die Sauerstoff verbrauchen. Der ENSO-Zyklus steuert vor Peru die Intensität des Upwelling und damit wohl auch den Sauerstoffgehalt. Über diese Zusammenhänge haben Forscher des GEOMAR durch die Analyse von Bohrproben vor der Küste Perus die Geschichte der Sauerstoffminimumzone im Ostpazifik für die vergangenen 20.000 Jahre rekonstruiert. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass das heutige System von abwechselnden El Niño- und La Niña-Ereignissen in Häufigkeit und Intensität erst seit maximal 5.000 Jahren so abläuft, wie man es aus der direkten Beobachtung kennt.

Die marinen Sauerstoffminimumzonen Gezeigt wird die Sauerstoffkonzentration in 300 Meter Wassertiefe. In den Sauerstoffminimumzonen (SMZ) finden bis zu 40% des weltweiten Stickstoffverlusts im Meer statt. Der Stickstoffverlust wird dort durch organisches Material aus abgestorbenen und absinkenden Algen gesteuert. Ca. 30- 50 % aller Stickstoffverluste laufen in nur 0,1% der Weltmeere ab. Insbesondere zwei Prozesse tragen zum Stickstoffschwund bei: Denitrifikation und Anammox (anaerobe Ammoniumoxidation mit Nitrit), beides Stoffwechselwege mariner anaerober Bakterien. Die Kenntnis dieser Vorgänge ist von großer Bedeutung, denn Stickstoff ist ein limitierender Nährstoff für alles Leben im Meer. (Abbildung modifiziert nach World Ocean Atlas 2009 (http://www.nodc.noaa.gov)) Quelle: MPI Bremen

Die Sauerstoffminimumzonen sind für ca. 20 - 40 % des Stickstoffverlustes der Ozeane verantwortlich, auch wenn sie nur 0,1 % des Meeresvolumens ausmachen.

Regionen sauerstoffarmen Wassers dehnen sich als Folge der globalen Erwärmung in den Weltmeeren immer weiter aus. Das hat weitreichende Auswirkungen auf den Lebensraum Meer und die Fischereiwirtschaft, da höhere Organismen diese Regionen meiden. Auch die globalen Kreisläufe von Kohlenstoff und Stickstoff sind eng mit Sauerstoffminimumzonen verknüpft. Ein detailliertes Verständnis dieser Kreisläufe ist daher unverzichtbar, um die Auswirkungen des fortschreitenden Klimawandels auf die Weltmeere und mögliche Rückkopplungen vorherzusagen.

Der Stickstoffkreislauf im Meer

Alles Leben auf der Erde hängt vom Stickstoff ab, denn er ist unverzichtbar für die Zellbestandteile wie Proteine und die DNA. Die Organismen können jedoch nicht alle Verbindungen dieses Elements nutzen. Daher bestimmt im Ozean nur ein Teil der Stickstoffverbindungen die Produktivität des gesamten Ökosystems. Die Umwandlung einer Verbindung in eine andere übernehmen spezialisierte Mikroorganismen. Im Ozean wird Stickstoff in Form von Ammonium (NH₄⁺) hauptsächlich durch den Abbau organischer Verbindungen frei gesetzt. In einem zentralen Schritt, bekannt als Nitrifizierung, wird Ammonium in Nitrit (NO₂^-) und dann in Nitrat (NO₃^-) umgewandelt. Dieser Prozess verbraucht Sauerstoff. Das Nitrat wird anschließend ohne Sauerstoff in mehreren Zwischenschritten in gasförmigen elementaren Stickstoff (Luftstickstoff, N₂) umgewandelt. Diese Reaktion nennt sich Denitrifizierung. Alle Umwandlungen werden durch Mikroorganismen vermittelt. Das N₂ entweicht als Gas aus dem Meer. Vor ein paar Jahren entdeckten Forscher vom Bremer Max-Planck-Institut den Prozess der anaeroben Oxidation von Ammonium (ANAMMOX) im Meer. Unter sauerstofffreien Bedingungen wandeln Anammox-Bakterien Ammonium direkt mit Nitrit in gasförmigen Stickstoff (N₂).

In weiten Teilen der Ozeane limitiert der Mangel an Stickstoff das Algenwachstum und beeinflusst damit entscheidend die Menge des Treibhausgases CO₂, die biologisch gebunden werden kann. Angesichts der wichtigen Rolle der Ozeane für die globale CO₂-Bilanz sind detaillierte Kenntnisse über die Regulierung des marinen Stickstoffkreislaufs und dessen Kopplung mit dem globalen Kohlenstoffkreislauf erforderlich.

MPI Bremen