Sinking particle fluxes and nitrogen loss in the eastern tropical North Pacific oxygen deficient zone measured using incubating sediment traps

In den weiten, sonnendurchfluteten oberen Schichten des Ozeans wachsen und vermehren sich winzige Pflanzen namens Phytoplankton, die die Basis des marinen Nahrungsnetzes bilden. Wenn diese Organismen sterben oder wenn Tiere sie fressen und Ausscheidungen produzieren, sinkt dieses organische Material wie Schneeflocken in die dunklen Tiefen herab. Während es fällt, bauen Bakterien und andere Mikroben es ab – ein Prozess, der Sauerstoff verbraucht. In den meisten Teilen des Ozeans wird dieser Sauerstoff durch Strömungen und Vermischung schnell wieder aufgefüllt. In bestimmten Regionen nahe dem Äquator ist das Wasser jedoch so stabil und der Sauerstoffverbrauch so intensiv, dass sich eine dicke Wasserschicht bildet, in der kaum noch Sauerstoff vorhanden ist. Wissenschaftler nennen dies sauerstoffarme Zonen. In diesen dunklen, sauerstofffreien Umgebungen übernimmt eine andere Art von mikrobiellem Leben das Kommando. Anstatt Sauerstoff zu atmen, nutzen diese Mikroben Stickstoffverbindungen zum Überleben, ein Prozess, der letztlich Stickstoffgas wieder in die Atmosphäre freisetzt. Dieser Entzug von Stickstoff ist ein entscheidender Teil der Chemie des Ozeans und wirkt wie eine Bremse dafür, wie viel Pflanzenleben der Ozean weltweit unterstützen kann.

Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler zu verstehen, wie viel Stickstoff genau in diesen Zonen verloren geht und woher der Brennstoff für diesen Prozess kommt. Die vorherrschende Ansicht war, dass der Stickstoffverlust fast ausschließlich durch organisches Material angetrieben wird, das aus der sonnigen Oberfläche absinkt, wie ein stetiger Regen aus toten Pflanzen und Tieren, der von oben herabfällt. Um dies zu messen, haben Forscher traditionell langfristig verankerte Fallen verwendet, die auf dem Meeresboden liegen oder in festen Tiefen driften und diesen fallenden Abfall über Wochen oder Monate sammeln. Diese langen Einsätze glätten jedoch oft die kurzzeitigen Aktivitätsschübe heraus, die für das System entscheidend sein könnten. Zudem ist es äußerst schwierig, Wasserproben aus diesen tiefen, sauerstoffarmen Zonen an die Oberfläche zu bringen; in dem Moment, in dem das Wasser mit der Luft in Berührung kommt, kann es mit Sauerstoff kontaminiert werden, was das empfindliche chemische Gleichgewicht stört, das für die Untersuchung der darin lebenden Mikroben notwendig ist.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Megan Duffy setzte sich zum Ziel, diese Probleme zu lösen, indem sie das Labor in den tiefen Ozean brachten, anstatt den tiefen Ozean zum Labor zu bringen. Sie setzten ein neues Instrument im östlichen tropischen Nordpazifik ein, der Heimat der weltweit größten sauerstoffarmen Zone. Diese Instrumente waren hochentwickelte, frei schwebende Sedimentfallen, die mit Inkubationskammern ausgestattet waren. Anstatt nur fallende Partikel zu sammeln, konnten diese Fallen ihre Tore in einer bestimmten Tiefe schließen, das Wasser und die sinkenden Partikel darin einschließen und dann einen speziellen Tracer injizieren, um zu messen, wie schnell die Mikroben Stickstoff in Gas umwandeln – und das alles, während sie unter dem kalten, dunklen und sauerstofffreien Druck ihres natürlichen Lebensraums blieben. Das Team führte diese Experimente über drei separate Fahrten in den Jahren 2017, 2018 und 2019 durch und erfasste Daten in verschiedenen Tiefen innerhalb der sauerstoffarmen Schicht.

Die Ergebnisse zeichneten ein Bild des Ozeans, das weitaus dynamischer und überraschender war, als es die Standardmodelle vorhersagten. Die Forscher fanden heraus, dass der Fluss der sinkenden Partikel nicht dem glatten, vorhersehbaren Rückgang folgte, der jahrzehntelang erwartet worden war. Anstatt mit zunehmender Tiefe einfach dünner zu werden, nahm die Menge an organischer Substanz in bestimmten Tiefen innerhalb der sauerstoffarmen Zone tatsächlich zu. Dieser „invertierte Flux“ bedeutete, dass frisches organisches Material aus Quellen direkt dort im Wasser in die mittlere dunkle Zone injiziert wurde, anstatt nur von der Oberfläche herabzufallen. Das Team identifizierte zwei Hauptquellen für diese lokale Produktion. Erstens wuchs am oberen Rand der sauerstoffarmen Zone eine sekundäre Schicht grüner Algen – speziell eine Art von Cyanobakterien, die an schwaches Licht angepasst ist – und fügte der sinkenden Strömung frisches Material hinzu. Zweitens fügten tiefer gelegene Tiere wie Zooplankton und kleine Fische, die sich im Wasser auf und ab bewegen, durch Ausscheidungen und Fragmente zusätzliche organische Materie in diesen spezifischen Tiefen bei.

Als die Forscher die Rate maßen, mit der Stickstoffgas produziert wurde, stellten sie fest, dass diese lokalen Quellen organischer Materie den Prozess stärker vorantrieben als bisher angenommen. Die Experimente zeigten, dass die in den sinkenden Partikeln lebenden Mikroben für einen massiven Teil des Stickstoffverlusts verantwortlich waren. Tatsächlich waren die direkt im tiefen Ozean gemessenen Raten der Stickstoffproduktion höher als die in früheren Studien, die auf das Hochbringen von Wasserproben an die Oberfläche angewiesen waren. Dies deutet darauf an, dass die traditionellen Probenahmemethoden die aktivsten Hotspots des mikrobiellen Lebens möglicherweise übersehen haben, da die großen Partikel, die diese Reaktionen befeuern, zu schnell sinken, um mit Standard-Wasserprobenflaschen erfasst zu werden. Indem sie die Partikel und das Wasser zusammen in ihrer natürlichen Umgebung hielten, erfassten die neuen Fallen die wahre Intensität der biologischen Aktivität.

Die Studie stellte auch die Vorstellung infrage, dass die Menge des verlorenen Stickstoffs streng an das Wachstum der Pflanzenwelt an der sehr Oberfläche des O океans gebunden ist. Obwohl die Produktivität an der Oberfläche eine Rolle spielt, fanden die Forscher heraus, dass der sinkende Partikelfluss oft konsistent blieb, selbst wenn die Oberflächenproduktivität stark schwankte. Dies liegt daran, dass das System nicht nur durch das gespeist wird, was von oben fällt, sondern durch das, was innerhalb der dunklen Zone selbst erschaffen wird. Die Cyanobakterien und die wandernden Tiere fungieren als interne Motoren, die frische organische Materie generieren, welche die stickstoffentziehenden Mikroben ernährt, selbst wenn die Oberflächengewässer ruhig sind. Diese Entdeckung verändert das Verständnis darüber, wie der Stickstoffhaushalt des Ozeans funktioniert. Sie legt nahe, dass der Ozean, während der Klimawandel diese sauerstoffarmen Zonen ausdehnt und in neue Gebiete verschiebt, weiterhin hohe Stickstoffverluste erleiden könnte, angetrieben durch diese internen Nahrungsquellen, anstatt wie sonst vielleicht durch die Oberflächenproduktivität gebremst zu werden.

Die Forscher berechneten den gesamten Stickstoffverlust in dieser Region über ein Jahr basierend auf ihren Messungen. Sie schätzten, dass sinkende Partikel allein für den Verlust von etwa 24,0 Teragramm Stickstoff pro Jahr verantwortlich sind, und wenn man die gelösten Bestandteile des Wassers miteinbezieht, erreicht der Gesamtverlust 40,7 Teragramm. Diese Zahlen stimmen eng mit früheren Schätzungen überein, die mit anderen Methoden erstellt wurden, was den Wissenschaftlern Vertrauen in den neuen Ansatz gibt. Das entscheidende Fazit ist jedoch nicht nur die Gesamtmenge, sondern der Mechanismus. Die Studie beweist, dass der Ozean kein passiver Empfänger von Oberflächenabfall ist, sondern ein aktives, sich selbst erhaltendes System, in dem das Leben in der Dunkelheit seinen eigenen Brennstoff erzeugt, um den globalen Stickstoffkreislauf anzutreiben. Durch die Beobachtung des Ozeans in seinem natürlichen Zustand, ohne die Störung des Heraufbringens an die Oberfläche, hat das Team eine klarere, genauere Sicht auf einen der wichtigsten chemischen Prozesse unseres Planeten ermöglicht.