Institut für Ostseeforschung Warnemünde
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Dr. Oliver Schmale

Wissenschaftler (Senior scientist)

Oliver Schmale
Adresse:
Leibniz-Institut für Ostseeforschung
Seestraße 15
18119 Rostock
Telefon:
+49 381 5197 305
Fax:
+49 381 5197 302
E-Mail:

Forschungsschwerpunkt

  • chemische Ozeanographie
  • pelagischer Methankreislauf mit dem Fokus auf Redox-Gradienten
  • Methanaustausch an der Grenzschicht Ozean-Atmosphäre
  • benthopelagischer Transport von Mikroorganismen an Methan-Seeps
  • Mechanismen, die die oberflächennahe Methananomalie hervorrufen („ocean methane paradox“)
  • Gaschemie hydrothermaler Systeme und ihren Einfluss auf die umgebende Wassersäule

Wissenschaftlicher Werdegang

2002                Diplom in Geologie, Universität Hamburg
2003 – 2004  Wissenschaftlicher Angestellter am IFM-GEOMAR, Bereich: Marine Biogeochemie
2004 – 2007  Wissenschaftlicher Angestellter am IFM-GEOMAR, Bereich: Marine Biogeochemie
2007                Doctor rerum naturalium, Universität Kiel
seit 2007        Wissenschaftlicher Angestellter am IOW, Sektion: Meereschemie

Aktuelle Projekte

  • Bubble Shuttle II – Bentho-pelagischer Transport methanotropher Mikroorganismen über Gasblasen, DFG SCHM 2530/7-1

Gasblasenfreisetzende Seep-Gebiete sind äußerst bedeutende Methanquellen in aquatischen Systemen. Einen wesentlichen Beitrag zur Kontrolle der Methanemission in die Atmosphäre liefern methanotrophe Mikroorganismen, die sowohl im Sediment als auch in der Wassersäule in der Umgebung dieser Seeps angesiedelt sind. Im Vergleich zum Hintergrundwasser sind im Nahfeld dieser Seeps die Abundanz und die Aktivität dieser Organismen in der Wassersäule stark erhöht. Unsere Pilotstudie im DFG Projekt „Transport Methan-oxidierender Mikroorganismen aus dem Sediment in die Wassersäule über Gasblasen (Bubble Shuttle)“ (SCHM 2530/3-1) an einer Seep Lokation im Coal Oil Point Seep Gebiet (Kalifornien, USA) konnte erstmals zeigen, dass methanotrophe Bakterien über Gasblasen vom Sediment in die Wassersäule transportiert werden können. In dem hier beantragten Projekt beabsichtigen wir Hinweise zur Existenz eines Gasblasentransportes von Mikroorganismen, die sich aus der Pilotstudie ergeben haben, durch Studien an verschiedenen Standorten zu bestärken. Das übergeordnete Ziel ist, die Bedeutung dieses Transportprozesses für den pelagischen Methanumsatz an diesen Seep-Gebieten einzuschätzen. Dafür sollen uns multidisziplinäre Studien an verschiedenen Seep Gebieten in Santa Barbara (Kalifornien, USA) und der Nordsee ermöglichen, die Umweltfaktoren zu diskutieren, die auf die Effizienz des bentho-pelagischen Gasblasentransports einwirken. Durch laborbasierte Inkubationsexperimente planen wir die Aktivität benthischer methanoxidierender Bakterien, die wir an verschiedenen Seep-Gebieten beprobt haben, in pelagischer Umgebung zu untersuchen. Zusammen mit phylogenetischen Untersuchungen wollen wir zusätzlich Antworten auf die Frage erhalten, ob der Gasblasentransport einen bentho-pelagischen Austauschprozess darstellt, der einen Einfluss auf die Diversität der pelagischen methanotrophen Gemeinschaft im Umfeld von Seep-Gebieten nimmt. Durch Feldstudien an einer Blowout Lokation in der Nordsee und der Einbindung ozeanographischer Messungen und Modelle wollen wir letztlich ein Budget für pelagische methanotrophe Bakterien in der Umgebung eines Seeps erstellen, mit dessen Hilfe wir die Bedeutung des bentho-pelagischen Gasblasentransports auf die Abundanz methanotropher Bakterien und den pelagischen Methanumsatz abschätzen können.

Methan ist ein bedeutendes Treibhausgas, das einen starken Einfluss auf die Klimaentwicklung der Erde nimmt. Zurzeit sind das Wissen um die verschiedenen Methanquellen und deren atmosphärischer Einfluss noch äußerst lückenhaft. Eine Quelle, die hier von besonderer Wichtigkeit sein könnte, ist die mikrobielle Methanproduktion innerhalb des Darms bestimmter Zooplanktonorganismen bzw. der von ihnen ausgeschiedenen Kotpillen. Diese Quelle ist hauptsächlich in der oberen sauerstoffhaltigen Wassersäule angesiedelt und kann somit einen unmittelbaren Einfluss auf den Methanfluss zwischen Ozean und Atmosphäre nehmen. In unserem Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass in hochproduktive Regionen, wie z.B. in Randmeeren, diese Zooplankton-basierte Methanproduktion besonders stark ausgeprägt ist. Des Weiteren vermuten wir, dass die zeitweise in der Ostsee beobachtete subthermokline Methananomalie durch diese Methanquelle hervorgerufen wird. Im ZooM-Projekt werden wir deshalb die Zooplankton-assoziierte Methanproduktion im Modellgebiet Ostsee mit Hilfe eines multidisziplinären Ansatzes untersuchen, indem wir die Fachgebiete Methanchemie, Mikrobiologie und Zooplanktologie konzertiert einsetzen. Im Detail wollen wir die folgenden Schlüsselfragen beantworten: (1) Ist die subthermokline Methananomalie ein verbreitetes Phänomen in der Ostsee und können wir saisonale und regionale Unterschiede in ihrer Ausprägung identifizieren? (2) Besitzt die Zooplankton-assoziierte Methanproduktion das Potential die beobachtete Methananomalie auszubilden und wie beeinflussen Copepodenarten und Umweltbedingungen (wie die Nahrungszusammensetzung) die Methanproduktion? (3) Welche methanogenen Mikroorganismen sind in die subthermokline Methanproduktion im Copepoden-Darm und ihren Kotpillen involviert und lassen sich Unterschiede der beteiligten methanogenen Gemeinschaften und deren Aktivität ausmachen?

Methan ist eines der wichtigsten klimabestimmenden Spurengase unserer Erde. Obwohl aquatische Systeme die größte natürliche Quelle atmosphärischen Methans darstellen, wird die Bedeutung mariner Systeme als relativ gering eingeschätzt. Hierfür maßgeblich sind mikrobiologische Umsetzungen in Methan-reichen anoxischen Sedimenten. Die Prozesse der aeroben und anaeroben Methanotrophie in der Wassersäule sind bislang nur wenig erforscht. Im Gotland- und Landsort-Tief der zentralen Ostsee haben sich durch lang anhaltende Stratifizierung der Wassersäule im stagnierenden Tiefenwasser anoxische Bedingungen herausgebildet, die sich durch hohe Methankonzentrationen auszeichnen. Der in beiden Gebieten deutlich ausgebildete Übergangsbereich in der Wassersäule (Redoxkline) ermöglicht eine gezielte Beprobung der für den Methanumsatz potenziell relevanten Tiefenbereiche. Damit liefern diese tiefen Becken optimale Voraussetzungen, um das gesamte Spektrum der bislang in der Ostsee kaum verstandenen mikrobiellen Methanoxidation zu erforschen. Durch eine fachübergreifende Arbeit sollen (1) die Methan-umsetzenden Prozesse in der Wassersäule des Gotland-Tiefs und des Landsort-Tiefs quantitativ beschrieben werden, (2) wichtige an Methan-umsetzenden Prozessen beteiligte Mikroorganismen über molekularbiologische und organisch-geochemische Methoden identifiziert und die Übertragbarkeit dieser Wassersäulensignale in den geologischen Bericht in den Sedimenten untersucht werden und (3) die erzielten Prozessdaten in ein hydrodynamisch-biochemisches Modell integriert werden.

Der Prozess der mikrobiellen Methanotrophie in der Wassersäule und seine Bedeutung als Methansenke im lokalen Methankreislauf sind bislang nur wenig erforscht. Untersuchungen des Wasserkörpers in der Umgebung von Gasaustrittstellen (Seeps) zeigen, dass ein Großteil des vom Sediment freigesetzten Methans in unmittelbarer Nähe zum Seep mikrobiell oxidiert wird und nur ein geringer Teil in höhere Wasserschichten gelangt und in die Atmosphäre emittiert. Inwieweit die Prozesse der sedimentären und pelagischen Methanotrophie miteinander verknüpft sind, soll durch eine fächerübergreifende Arbeit beleuchtet werden. Hierbei wird angenommen, dass gasblasenfreisetzende Seeps ein besonders interessantes und wichtiges Bindeglied zwischen diesen beiden Prozessen darstellen. In der geplanten Arbeit soll die Hypothese untersucht werden, ob methanotrophe Mikroorganismen über Gasblasen aus dem Sediment in die Wassersäule transportiert werden können. Im Speziellen sollen an einem Seep-Gebiet (Coal Oil Point, Santa Barbara Becken, Kalifornien) über gaschemische und molekularbiologische Methoden (1) die Methan-umsetzenden Bereiche und Mikroorganismen im Sediment identifiziert, (2) die Methan-umsetzenden Prozesse in der Wassersäule nachgewiesen und (3) über das Auffangen von Gasblasen in unterschiedlichen Wassertiefen der Transport der im Sediment identifizierten methanotrophen Organismen über Gasblasen in die Wassersäule untersucht werden.

Unsere Zielsetzung in der dritten Antragsphase des SPPs besteht darin, den Transport von Methan, Wasserstoff und 3-Helium in den Plumes zu bestimmen, die den hydrothermalen Austrittstellen am Logatchev-Feld (Mittelatlantischer Rücken) zugeordnet werden. Wir (IFM-GEOMAR und IOW) beabsichtigen Tow-yo CTD Untersuchungen dieser gelösten Gase innerhalb einer Distanz von wenigen Kilometern zu diesen hydrothermalen Austrittstellen vorzunehmen. Die hierbei gewonnen Informationen werden mit Langzeit-Strömungsmessungen verknüpft, die von den Herren Fischer und Visbek (IFM-GEOMAR) durchgeführt werden. Die genannten Tow-yo CTD Untersuchungen werden zu Beginn und Ende der Langzeit-Strömungsmessungen erfolgen, d.h. auf der F/S MERIAN Fahrt 06/2 und 10/3. Diese Beprobungsstrategie ermöglicht es, die Ergebnisse der Kurzzeitaufnahmen aus der Ermittlung der Gasverteilung mit denen der Zeitreihenaufzeichnungen der Stömungsmessungen zu verknüpfen. Des weiteren werden über eine Strecke von 100 km mit dem CTD-Rosettensystem Wasserproben entlang der Rückenachse genommen, welche an der Bruchzone bei 15°20’N einsetzt. Durch diese Untersuchung soll das Inventar dieser Gase in diesem Rückensegment abgeschätzt werden. Methan und Wasserstoff werden bereits während der beiden Expeditionen an Bord gemessen. Die Heliumisotopen-Analysen werden jeweils nach den Expeditionen an der Universität Bremen durchgeführt. Ein weiteres in Beziehung stehendes Ziel besteht in der Konzentrationsbestimmung des gelöste Methans und Wasserstoffs in Fluiden, die an den hydrothermalen Austrittsstellen während der Expeditionen genommen werden. Über diese Ziele hinaus werden wir mit M. Perner an kinetischen Inkubationsexperimenten arbeiten, um die Raten der Wasserstoffzehrung in Fluiden zu bestimmen, die sich aus der mikrobiellen Aktivität in hydrothermalen Lösungen ableitet.

BALTIC GAS aims to understand how climate change and long-term eutrophication affect the accumulation of shallow gas and the emission of methane and hydrogen sulfide from the seabed to the water column and atmosphere. The outcome of the project will be a new understanding and quantitative synthesis of the dynamics and budget of methane in the seabed, an important but poorly understood component of the Baltic ecosystem response to natural and human- induced impacts. The project aims to develop a predictive model of gas accumulation and emission under realistic scenarios of climate change and eutrophication, which will improve the knowledge base for necessary future policy actions. The multidisciplinary project will involve 12 partner institutions from 5 nations and will apply modern advanced technology and novel combinations of approaches.