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Die Bedeutung der Cyanobakterien für die Quecksilberemission der Ostsee (Hg-Cyano)

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Die Ostsee weist im Hochsommer das Maximum der Freisetzung von elementarem Quecksilber (Hg0) auf. Ob die Umwandlung von ionischem Quecksilber in das flüchtige Hg0 aktiv von Cyanobakterien oder durch photochemische Reaktionen verursacht wird, soll anhand von in situ Messungen, Kulturexperimenten und mit mikrobiologischen Methoden untersucht werden.

Giftiges Quecksilber (Hg) beeinträchtigt das Ökosystem und die Gesundheit der Menschen, deshalb ist es wichtig, die Verbreitungs- und Umwandlungsprozesse von Hg in der Umwelt zu verstehen und zu quantifizieren. In einem vorausgegangenen Projekt, das sich mit der Ostsee als Quelle für atmosphärisches Quecksilber beschäftigte, wurde eine deutliche Saisonalität der Quecksilberemission gefunden (Kuss and Schneider, 2007). Im Winter gab das Meer kaum Quecksilber ab, es wurde regional sogar eine leichte Aufnahme von Hg0 bestimmt, für das Frühjahr und den Herbst wurden schon bedeutende Emissionen bestimmt, aber das Maximum lag im Hochsommer bei intensiver Sonneneinstrahlung und einer ausgeprägten Verbreitung von Cyanobakterien. Verschiedene Laborstudien haben gezeigt, dass sowohl die biotische als auch die abiotische Umwandlung lichtabhängig ist. In dem neuen Projekt soll nun untersucht werden, ob die Umwandlung direkt durch das Licht unter Mitwirkung von gelöstem, organischem Kohlenstoff, oder vorrangig durch Licht gesteuerte biologische Prozesse verursacht wird. Dazu sollen drei Untersuchungen durchgeführt werden:

  1. Einige Algen und Bakterien scheinen die genetische Voraussetzung zu besitzen, eine Umwandlung von dem toxischen, ionischen Quecksilber in das flüchtige und weniger giftige, elementare Quecksilber durchzuführen. Eine Hypothese wäre, dass in prähistorischen Zeiten diese sogenannte Quecksilber-Resistenz einen Vorteil in der Evolution darstellte. Demnach könnte die stärkere vulkanische Aktivität in den Anfängen des Lebens zu einer erhöhten Quecksilberbelastung der Umwelt geführt haben, und die Möglichkeit sich des giftigen Stoffes zu entledigen, ein günstige Voraussetzung für das Überleben gewesen sein.
    ->  Mit mikrobiologischen Methoden soll die genetische Voraussetzung zur Quecksilberumwandlung bei den Cyanobakterien nachgewiesen werden und darüber hinaus auch gezeigt werden, bei welchen Arten das entsprechende MerA-Gen aktiv war, also die Umwandlung tatsächlich auch durchgeführt wurde.

  2. Während zweier Schiffsexpeditionen im Sommer 2011/2012 soll das Oberflächenwasser zur Analyse des ionischen Quecksilbers und des gelösten organischen Kohlenstoffs im IOW regelmäßig beprobt werden. Elementares Quecksilber wird quasi-kontinuierlich an Bord gemessen. Parallel wird die Zusammensetzung der Plankton Gemeinschaft ermittelt, dabei gilt den verschiedenen Cyanobakterien-Arten besondere Aufmerksamkeit. Für die eigentlichen Bestimmungen und Zählungen im IOW-Labor werden Proben genommen und konserviert.  
    Zum Vergleich werden auch tiefere Wasserschichten untersucht, die nur noch eine mäßige Lichtversorgung aber eine günstigere Nährstoffsituation für Cyanobakterien aufweisen. Damit stellen Wassertiefen im Bereich von 10 bis 20 m Tiefe potentielle Bereiche der biogenen Umwandlung dar.  
    ->  Verteilungsmuster von Cyanobakterien, organischem Kohlenstoff und Licht  werden statistisch mit mit denen des Hg0 analysiert.

  3. Eine zentrale Rolle spielen auch Inkubationsexperimente von isolierten Meerwasserproben mit natürlicher Planktonzusammensetzung, bei denen ein Teil möglichst nah an den natürlichen Bedingungen gehalten wird und bei einem anderen Teil gezielt Kontrollgrößen ausgeschaltet werden. So sollen Kolben aus Quarzglas, die halb mit Meerwasser gefüllt sind, in offenen Wannen dem natürlichen Licht ausgesetzt werden. Parallele Experimente laufen unter Lichtausschluss oder mit sterilem Meerwasser, aber ansonsten gleichen Bedingungen ab.
    ->  Damit sollen die Anteile der biogenen und der photochemischen Quecksilberumwandlung bestimmt werden.

Dr. Joachim Kuss (Projektleiter) mit Beteiligung anderer Arbeitsgruppen:
Dr. Matthias Labrenz , Dr. Norbert Wasmund, Dr. Christa Pohl, Dr. Klaus Nagel, Dr. Monika Nausch, Dr. Herbert Siegel und Siegfried Krüger.

Literatur:
Kuss, J. and Schneider, B., 2007. Variability of the gaseous elemental mercury sea-air flux of the Baltic Sea. Environmental Science and Technology, 41(23): 8018–8023.