Aktuelle Projekte

Assessment and Modelling Baltic Ecosystem Response (AMBER)

Das Ziel von AMBER ist die Implementierung und Anwendung eines „Ecosystem Approach to Management (EAM)“ mit Focus auf das küstennahe Ökosystem der Ostsee. Für ein optimales integriertes Management ist es wichtig, das Küstensystem mit einem holistischen Ansatz zu untersuchen. Das Wechselspiel zwischen dem Einzugsgebiet inklusive des Grundwassers und der offenen Ostsee und wie Klimaänderung und Änderung in der Landnutzung die Zusammensetzung des Flußwassers und die Biogeochemie der Küstenwässer und der Sedimente beeinflussen, ist zentraler Gegenstand der Forschung.

Einer der ersten Schritte von AMBER ist die Trennung von Klimasignalen und anthropogenen Signalen durch eine kombinatorische Variation der Randbedingungen des Modells, wobei der Output von existierenden regionalen Klimamodellen und der Output von Modellen des Einzugsgebietes, die Änderung in der Landnutzung simulieren, zur Verfügung steht. Um ein EAM Konzept erfolgreich zu implementieren, wird die bestmögliche wissenschaftliche Information als Grundlage für integriertes Managementbenötigt. Deshalb sind die Methoden retrospektive Datenanalyse, intensive Modellierung mit verschiedenen Typen von Modellen, sowie ausgewählte Messungen biogeochemischer Transformationsprozesse im Küstengewässer und im Grundwasser. Ein weiteres Ziel ist die Projektion auf das 21. Jahrhundert. Um hier das Problem der Modellunsicherheit zu reduzieren, wird die Ensemblemethode angewandt.

Die wesentlichen Produkte, die aus den wissenschaftlichen Ergebnissen abgeleitet werden können, sind a) eine qualitative Risikoabschätzung für verschiedene Klimaszenarien und unterschiedliche Landnutzung. Hieraus können b) Vermeidungsstrategien und c) ökologische Qualitätsziele (EQO) definiert werden. EQUs sind verknüpft mit Indikatoren und Grenzwerten. Weiterhin sollen kostengünstige Indikatoren entwickelt werden, um Monitoringstrategien zu verbessern und Managemententscheidungen zu vereinfachen.

Kontakt: Dr. Maren Voß, Frederike Korth

Biological Impact of Ocean Acidification (BIOACID)

Teilprojekt 1.2 Umsatz organischen Materials

(2009-2012)

Zahlen und Fakten

BIOACID beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Ozeanversauerung auf Lebensgemeinschaften im Meer, genauer mit den Effekten der Ozeanversauerung auf die Kalkbildung, das Wachstum und die Entwicklung von Meeresorganismen. An dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die nächsten drei Jahre mit 8,5 Millionen Euro finanzierten Projekt sind insgesamt 14 Forschungsinstitute und Universitäten aus ganz Deutschland beteiligt. Die Projektleitung der 5 Teilprojekte liegt beim Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) in Kiel. Am Institut für Ostseeforschung sind im Rahmen dieses Projektes 3 Doktoranden und ein PostDoc angestellt. Im Zuge dieses Projektes soll ein Richtwert für politische Entscheidungsträger ermittelt werden, unter welchen die Ozeanversauerung nicht sinken sollte.

Hintergrund

Seit dem Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert stieg der CO₂ Partialdruck in der Atmosphäre von 280 ppm auf 380 ppm (211%). Jährlich wird ungefähr ein Drittel dieses, aus der Verbrennung fossiler Energieträger freiwerdenden, Kohlendioxids (CO₂) in den Weltmeeren gelöst. Infolgedessen bildet sich Kohlensäure und die Konzentration von Karbonaten nimmt ab. Der pH-Wert verschiebt sich in den sauren Bereich. Dies ist auch schon messbar. Seit 1980 sank der pH Wert um 0.06 Einheiten und Zukunftsprognosen gehen von einer weiteren Senkung um 0.4 das bedeutet eine pH Wert Verschiebung von heute 8.14 auf 7.7 (oder Senkung um 6%), wenn der Status quo beibehalten bleibt (Bild 1).

Diese Zahl klingt zunächst nicht weiter dramatisch, wenn man bedenkt, dass die Organismen an bestimmte pH Werte angepasst sind und nur bis zu einem bestimmten pH Wert vorkommen. Besonders alarmierend ist, dass sich vor allem Organismen mit Kalkskeletten oder Schalen im wahrsten Sinne des Wortes auflösen, da sie ihr Skelett auf Grund der Wasserchemie nicht mehr aufbauen können. Der Rückgang der tropischen Korallen ist schon deutlich sichtbar. Die Ozeanversauerung führt im groben gesehen zu einer Art Domino Effekt. Kalkbildner gehen zurück. Kleine Primärproduzenten werden gefördert, die organische Produktion ändert sich qualitativ und quantitativ. Das geht einher mit einer Verschiebung der Biodiversität. Diese Änderungen auf der Basis der Nahrungskette setzen sich im Nahrungsnetz fort, von den Bakterien bis hin zu höheren Ebeneren.
Das höhere Angebot an Kohlenstoff beeinflusst wiederum die Produktivität der Primärproduzenten, die in den Sommermonaten vor allem von Stickstoff (N2) fixierenden Cyanobakterien dominiert werden, was sich als Konsequenz auf die anderen trophischen Ebenen auswirkt. Dieses Zusammenspiel aus Ozeanversauerung, Kohlenstoffangebot, Primärproduktion, N₂ - Fixierung, und Kopplung der einzelnen trophischen Ebenen soll in Mikrokosmen und Mesokosmen Versuchen im Teilprojekt 1.2 untersucht werden. Die übergeordnete Fragestellung ist: Welche Konsequenzen hat die Ozeanversauerung auf die Produktivität der einzelnen Ebenen (Primärproduzenten, Bakterien), den Umsatz und Abbau organischen Materials? Als Hypothese wird prognostiziert, dass die Primärproduktion und N₂ - Fixierung durch Cyanobakterien unter erhöhten CO₂ Partialdrücken steigen. Dies verändert die C:N:P Stöchiometrie der Algen zum Einen und deren Exsudate (organisches Material, DOM und TEP) zum anderen. Diese Quantitativen und Qualitativen Unterscheide wirken sich wiederum auf den bakteriellen Abbau organischen Materials aus, was mit einer Verschiebung der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft einhergeht (Bild 2).

Kontakt: Nicola Wannicke

FONIP

Fixierter Stickstoff im marinen Nahrungsnetz: die Bedeutung Essentieller und nicht-essentieller Aminosäuren

Welche Qualität hat Stickstoff für das marine Ökosystem, nachdem er von Cyanobakterien fixiert und in bioverfügbare Moleküle, wie z.B. Aminosäuren, umgewandelt wurde? Jährlich werden 110 Tg Stickstoff über den Prozess der Stickstofffixierung durch Cyanobakterien in  den globalen Ozean eingetragen (Gruber und Sarmiento 1997, Capone 2001). Je nachdem auf welchem Weg und in welcher Form der fixierte Stickstoff in das Nahrungsgefüge gelangt, kann er entweder autotrophes und heterotrophes Wachstum fördern und so einen  Kohlen-stoffexport aus der Euphotischen Zone bedingen, oder zur Bakterienproduktion und Respiration in dieser beisteuern (Fig. 1, Mulholland 2007). Eine molekülspezifische Isotopenanalyse (engl. Compound Specific Isotope Analysis) ermöglicht die qualitative und quantitative Verfolgung des „end-to-end“ Transfers von 15N markiertem N2 in die Aminosäuren der Cyanobakterien und weiter in die essentiellen und nicht-essentiellen Aminosäuren ihrer Grazer mittels Gaschromatography-Combustion-Isotope Ratio Mass Spectrometry (GC-C-IRMS).

Fig. 1: Wege des Stickstoffs in das heterotrophe Nahrungsgefüge. Im FONIP-Projekt wird die Primäre Aufnahme von Cyanobakterien durch Heterotrophe wie z.B. Copepoden untersucht.

Neben Feldexperimenten werden kontrollierte Laboruntersuchungen mit ökologisch relevanten Arten wie der Cyanobakterienart Nodularia spumigena und der Copepodenart Eurytemora affinis durchgeführt. Zum ersten Mal kann mit dieser Methode der Transfer neu gebildeter Aminosäuren aus den Cyanobakterien in die Grazer quantifiziert und gleichzeitig die Qualität des fixierten Stickstoffs für das Zooplankton bestimmt werden. Die Qualitätsbestimmung des fixierten Stickstoffs sowie die Quantifizierung seiner Eintragswege in das marine Ökosystem sind wichtige Vorraussetzungen, um die Auswirkungen zunehmender oder abnehmender Cyanobakterienbestände im Zuge globaler Klimaveränderungen, wie z.B. der Ozeanansäuerung, abschätzen zu können.

Literatur: Capone, D. G., 2001. Current Opinion in Microbiology 4 (3): 341 – 348.
Gruber, N. and Sarmiento, J. L., 1997. Global Biogeochemical Cycles 11 (2): 235 – 266.
Mulholland, M. R., 2007. Biogeosciences, 4, 37–51.

Kontakt: Dr. Natalie Loick - Wilde

HYPER

Kontakt: Dr. Maren Voß, Claudia Frey

NIQSI

Identifizierung und Quantifizierung der Nitratquellen der euphotischen Zone der zentralen Ostsee anhand stabiler Stickstoff- und Sauerstoffisotope (N-Quellen Zentrale Ostsee)

Die Nitratquellen der zentralen Ostsee werden mit Hilfe der stabilen Stickstoff- und Sauerstoffisotope identifiziert und quantifiziert. Die Ostsee wird durch ihr viermal größeres Einzugsgebiet und die menschlichen Aktivitäten darin beeinflusst. Stickstoff- und Phosphateinträge durch Flüsse, Punktquellen und Niederschläge verursachen die Eutrophierung der Ostsee die letztendlich zu anoxischen Bereichen im Bodenwasser führt. Ein weiterer Eintrag ergibt sich durch die Stickstoff-Fixierung von Cyanobakterien in der euphotischen Schicht. Nitratquellen sind damit mehr oder weniger bekannt. Dennoch gibt es Unsicherheiten bei der Quantifizierung dieser Quellen und bei der Abschätzung ihrer Bedeutung für die Primärproduktion in der zentralen Ostsee. Im Rahmen dieses Projektes wird daher in dieser Region erstmals die „Denitrifizierer“ Methode, die die Messung sowohl der Stickstoff- als auch der Sauerstoffisotope im Nitrat ermöglicht, angewandt. Die Nitrat Isotopensignatur ermöglicht, zwischen den verschiedenen Nitratquellen zu unterscheiden und Prozesse, die die Nitratkonzentration beeinflussen, zu erkennen. Die Signaturen der potentiellen Quellen (vorhandener Nitratvorrat, atmosphärische Einträge und ebenso erstmals der Vorrat des gelösten organischen Stickstoffs) werden analysiert. Zusätzlich werden Experimente durchgeführt, um die relative Bedeutung der verschiedenen Stickstoffformen für die Primärproduktion zu bestimmen. Ein Nitratbudget für die zentrale Ostsee soll erstellt werden.

Kontakt: Dr. Claudia Fellerhoff

Surface Ocean Processes in the Anthropocene

Surface Ocean Processes in the Anthropocene , BMBF funded (2007 - 2010)
Teilprojekt 2: Effekte hoher Kohlendioxid-Gehalte des Anthropozäns auf marine Ökosysteme und den Gasfluss zwischen Ozean und Atmosphäre

Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre bestimmt im Wesentlichen das Klima und die Lebensbedingungen auf unserem Planeten. Sie wird ihrerseits geprägt durch physikalische und biogeochemische Prozesse an Land sowie im Ozean. Menschliche Aktivitäten verändern die atmosphärische Zusammensetzung in zunehmendem Maße, mit der Konsequenz, dass es auch im Wechselspiel zwischen Klimasystem und biogeochemischen Stoffkreisläufen zu Veränderungen kommt. Dies wiederum wirkt zurück auf die Atmosphäre, das Klima und die Ökosysteme. SOPRAN (Surface Ocean Processes in the ANthropocene) hat zum Ziel, insbesondere drei Bereiche dieser Wechselbeziehung besser zu verstehen:

• Wie wirken sich Änderungen der atmosphärischen Zusammensetzung (z.B. steigende CO₂ Werte, veränderter Staubtransport) auf die Ökosysteme im Oberflächenozean und die von ihnen getriebenen Stoffkreisläufe aus ?
• Wie beeinflussen klimatisch bedingte Änderungen ozeanischer Prozesse die Freisetzung klimatisch relevanter Gase in die Atmosphäre ?
• Welche Mechanismen bestimmen den Stoffaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre und was sind deren Raten ?

Das Hauptaugenmerk von SOPRAN liegt auf Prozessen in der ozeanischen Deckschicht und deren mögliche Änderung im Verlauf des nächsten Jahrhunderts. Das Verbundprojekt kombiniert Meeres- und Atmosphärenchemie, biologische und physikalische Ozeanographie mit numerischer Modellierung über einen weiten Bereich von Raum- und Zeitskalen um die Reaktion des Ozeans auf globalen Wandel zu untersuchen. Es verbindet technologische Entwicklungen und den Einsatz neuer frei treibender Mesokosmen zur Untersuchung der Konsequenzen von Ozeanwandel auf marine Ökosysteme mit der Erweiterung physikalischer Modelle zur Simulation von Schlüsselprozessen im Oberflächenozean und der Nutzung neuer Langzeitmessstationen für Atmosphäre und Ozean auf den Kapverdischen Inseln (in Zusammenarbeit mit europäischen und Kapverdischen Partnern). SOPRAN wird ein besseres Verständnis der Rolle des Ozeans im Klimasystem und eine verbesserte Beschreibung der Effekte des globalen Wandels auf empfindliche Meeresökosysteme liefern.
Darüber hinaus wird das Projekt aufbauend auf die vorhandene Infrastruktur und fachliche Kompetenz in Deutschland, einen wesentlichen und weithin sichtbaren Beitrag zum internationalen SOLAS Programm liefern die wissenschaftliche Basis für gesellschaftspolitische Bewertungen stärken, Grundlagen für die Einschätzung von zukünftigen Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf schaffen sowie Beiträge zum IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) Report und dem Ozone Assessment der WMO (World Meteorological Organization) liefern.
Das Projekt verbindet 42 Forscher von 12 Partnerinstituten aus allen Teilen Deutschlands, die in 23 Teilprojekten kooperieren. Die Teilprojekte sind 4 Themen zugeordnet:

• der Einfluss von atmosphärischem Staubeintrag auf den Ozean
• der Effekt steigender CO₂ Werte auf marine Ökosysteme und den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre
• Produktion und Emission klimarelevanter und reaktiver Gases im tropischen Ozean
• Austauschprozesse an der Grenzschicht Ozean-Atmosphäre.
• Im Mittelpunkt des Verbundprojektes stehen dabei Feldstudien in der Ostsee sowie im tropischen östlichen Nord-Atlantik. Die inhaltliche und logistische Vernetzung von SOPRAN wird durch Themen übergreifende Aktivitäten zusätzlich gestärkt.

Kontakt: Dr. Maren Voß