Die Ozeane

Basis

Phytoplankton und Nährstoffe in den Ozeanen

Phytoplankton (phyto = Pflanze, planktos = umherziehend) sind einzellige Pflanzen, die in den Oberflächengewässern der Ozeane leben. Die meisten von ihnen lassen sich schlicht mit den Ozeanströmungen treiben, einige vermögen sich auch begrenzt aus eigenem Antrieb fortzubewegen.

Sie nutzen Sonnenlicht, Kohlendioxid (CO₂) und Wasser, um im Photosynthese-Prozess organisches Material zu erzeugen.

Hiervon ernähren sie sich und bauen sie ihre Zellen auf. Eines der hierbei hervorgehenden Abfallprodukte ist der Sauerstoff der Luft. Durch ihn wurde erst Leben in seiner heutigen Form auf der Erde möglich. Das Phytoplankton der Ozeane verbraucht etwa genauso viel Kohlendioxid wie die Landpflanzen auf den Kontinenten. Daher spielt es eine wichtige Rolle bei der Regulierung unseres Klimas.

Abbildung links: Bei der Photosynthese nimmt das Chlorophyll, ein grünes Pigment in Pflanzen, Energie von der Sonne auf. Da die Sonnenenergie hierfür unbedingt erforderlich ist, kann die Photosynthese nur in der Nähe der Ozeanoberfläche erfolgen. Im offenen Ozean ist diese Oberflächenschicht ungefähr 100 m tief. Unter ihr kann die Wassersäule in Tiefen von mehr als 3000 m reichen. Ein Teil der Sonnenenergie wird dazu eingesetzt, das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Der Sauerstoff wird nicht benötigt und verlässt die Zellen wieder. Der Wasserstoff reagiert mit Kohlendioxid, wobei noch mehr Energie benötigt wird. Hierbei werden einfache organische Moleküle wie Glukose gebildet. Diese wiederum bilden die Bausteine für größere organische Moleküle.

Phytoplankton benötigt Nährstoff zum Wachsen. Hierzu gehören zahlreiche chemische Elemente, aber Stickstoff und Phosphor sind entscheidend, da sie in relativ großen Mengen benötigt werden, aber im Ozeanwasser nur kleinere Konzentrationen vorhanden sind. Stickstoff und Phosphor sind die Dünger, die wir auch Landpflanzen zusetzen, damit sie hieraus Proteine, Nucleinsäuren und andere Zellbestandteile herstellen, wie sie auch das Phytoplankton zum Überleben und Vermehren benötigt. Phytoplankton benötigt die Nährstoffe in klar definierten Mengen. Auf 106 Atome Kohlenstoff C, die in organisches Material umgewandelt werden, werden 16 Atome Stickstoff und 1 Atom Phosphor verwandt.

Die meisten Pflanzen können Luftstickstoff (N₂) nicht direkt verwenden, sondern benötigen ihn in einer chemisch aktiven Form, wie z.B. Nitrat (NO₃^-) oder Ammonium (NH₄⁺).  Da Kohlendioxid immer in ausreichender Menge vorhanden ist, kann sich Phytoplankton solange vermehren, bis entweder kein Stickstoff oder kein Phosphor mehr verfügbar ist. Eines von beiden wird immer zuerst knapp. In den meisten Fällen ist es der Stickstoff, der zuerst ausgeht. Man spricht dann von stickstofflimitiertem Wachstum. Das östliche Mittelmeer hingegen ist phosphorlimitiert. Das Wachstum wird hier eingestellt, wenn alle Phosphorquellen erschöpft sind, obwohl meist noch Stickstoff im Wasser ist.

Nährstoffquellen

Nährstoffe kommen natürlicherweise aus der Verwitterung von Gesteinen und aus der Umwandlung von Luftstickstoff (N₂) in biologisch verwertbare Formen. Der menschliche Einfluss hat Nährstoffe weit über die natürlichen Quellen hinaus verfügbar gemacht.

Phosphor

Die Hauptquellen von Phosphor sind Reinigungsmittel und Abwässer. Eine verbesserte Behandlung der Abwässer und phosphatfreie Waschmittel haben die Phosphoreinträge in die Flüsse und das Meer stark reduziert.

Stickstoff

Stickstoffverbindungen in den Flüssen sind vor allem das Ergebnis einer intensiven Landwirtschaft und übermäßiger Nutzung von Düngern, die auf Nitrat (NO₃^-) aufbauen, sowie des Umpflügens der Ackerflächen. Sowohl Nitrat als auch Ammonium finden sich in der Atmosphäre. Nitrat stammt z.B. aus den Verbrennungsprozessen in Automotoren oder bei der Stromerzeugung. Ammonium (NH₄⁺) stammt aus Lagerung und Austragen von Dung und Stallmist aus der Viehhaltung. Beide werden aus der Atmosphäre entfernt und finden ihren Weg über Regen und Partikel in die Flüsse und Ozeane.

Silikat

Ein anderer wichtiger Nährstoff ist Silikat, das aus der Verwitterung von Gestein stammt. Ein Mangel an Silikat verhindert das Wachstum bestimmter Phytoplankton-Arten, Diatom genannt, die Silikate zur Ausbildung ihrer Schalen brauchen.
Wenn Stickstoff oder Phosphor knapp werden, stellt Phytoplankton generell das Wachstum ein. Wird Silikat knapp, so setzt sich das Wachstum fort, aber andere Arten werden gebildet.

Spurenmetalle

Phytoplankton benötigt auch geringste Mengen an Metallen wie Eisen, Kupfer, Zink und Kobalt. Es gibt weite Bereiche der Ozeane, die nicht genügend Eisen enthalten, um ein Wachstum zu ermöglichen. Dies ist von großer Bedeutung für das Klima und wir werden es näher im Kapitel "Mehr -> Nährstoffe" diskutieren.

Remineralisation

Phytoplankton wächst sehr schnell und lebt nur für ungefähr einen Tag. Stirbt es ab, so wird es von Bakterien oder Zooplankton (kleine Tierchen) gefressen. Auf diese Weise wird das organische Material wieder in Kohlendioxid umgewandelt, die Nährstoffe gehen zurück in das Wasser und Sauerstoff wird verbraucht. Dieser Prozess wird als Remineralisation bezeichnet und spielt sich vor allem im Oberflächenwasser ab. Kohlendioxid entweicht wieder in die Luft oder wird zusammen mit den freigesetzten Nährstoffen erneut in der Photosynthese verwendet. Geschieht dies, so ändert sich die atmosphärische Kohlendioxid-Konzentration nicht.

Sinkt das Phytoplankton jedoch ab und wird im Tiefenwasser des Ozeans remineralisiert, so bleiben die Nährstoffe und das CO₂ im tiefen Ozean gespeichert und Kohlendioxid kommt nicht mehr zurück in die Atmosphäre. Hierdurch wird der Kohlendioxidgehalt des Oberflächenwassers verringert und mehr CO₂ aus der Luft kann nachfließen. Auf diese Weise wird die Kohlendioxid-Konzentration in der Luft gesenkt.

Das Kohlendioxid kommt erst dann wieder zum Vorschein, wenn die Ozeanzirkulation das Tiefenwasser zurück an die Oberfläche bringt. Dieser Prozess dauert etwa 1000 Jahre. Wir sprechen von einer biologischen Pumpe, die näher in der Einheit 'Wasser der Ozeane' erklärt ist.

Etwa 15% des Kohlenstoffes, der durch Photosynthese aufgenommen wird, wird in den Tiefen der Ozeane gespeichert. Ein sehr kleiner Anteil hiervon setzt sich ab und wird zu Sedimenten. Ein noch kleinerer Anteil wird eventuell zu Kohle und Öl. Verbrauchen wir solche fossilen Energieträger, so setzen wir den gespeicherten Kohlenstoff etwa eine Million mal schneller als Kohlendioxid frei, als es die natürlichen biologischen Prozesse tun würden. Wälder und Phytoplankton können es nicht schnell genug wieder aufnehmen, um mit dem Anstieg in der Emission mitzuhalten. Hierin liegt der Grund, dass der Anteil des atmosphärischen Kohlendioxids in den letzten Jahrzehnten dramatisch angestiegen ist.

About this page:

author: Lucinda Spokes - Environmental Sciences, University of East Anglia, Norwich - U.K.
1. sci reviewer: Prof. Tim Jickells - Environmental Sciences, University of East Anglia, Norwich - U.K.
2. sci reviewer:  Dr. Keith Weston - Environmental Sciences, University of East Anglia, Norwich - U.K.
Letzte Überarbeitung: 2007-09-09 Elmar Uherek, MPI für Chemie Mainz