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Killergase vor Namibia - Ein Wissenschaftskrimi

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Eines der weltweit größten und produktivsten marinen Ökosysteme, das Meeresgebiet vor dem westafrikanischen Namibia, machte vor Jahren Schlagzeilen: Vom All aus entdeckten Satelliten türkisgrüne Verfärbungen im Küstenwasser Namibias, die tausende Quadratkilometer der Meeresoberfläche bedeckten. Faszinierend schön – und gefährlich! Denn einige dieser im jahreszeitlichen Wechsel immer wieder auftretenden Wolken wurden als Schwefel identifiziert, der aus giftigem Schwefelwasserstoffgas gebildet wurde.

Bislang ungeklärt sind die Ursachen der toxischen Gaswolken. Seit drei Jahren arbeiten Warnemünder und Bremer Meeresforscher im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Projekts NAMIBGAS daran, dem Ursprung der Giftgase auf den Grund zu gehen.

 

Täter gesucht

 

Die Ursache einer türkis-grüne Färbung des Meerwassers sind in Küstenregionen meist Algenblüten. Eine andere Möglichkeit ist gelöster Schwefel. „Der Schwefel im Oberflächenwasser reflektiert so hoch, dass er vom Satelliten aus erkannt werden kann“, so Dr. Volker Brüchert, Leiter des mikrobiologischen Teils des NAMIBGAS-Projekts am Max-Plack-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. Die Auswirkungen von Schwefelwasserstoffgas sind für die Meeresfauna katastrophal: Die wenigsten Organismen überleben solch einen Giftgasanschlag! Das plötzliche Auftreten des Gases besitzt das Potenzial, ganze Fischbestände zu dezimieren, da es dem Wasser den Sauerstoff entzieht und hochtoxisch auf die Organismen wirkt. Neben den ökologischen Auswirkungen bedeutet dies vor allem einen wirtschaftlichen Verlust für die Fischerei in Namibias Gewässern.

 

Blick aus dem All

Algenblüten und Schwefelwasserstoffwolken entlang der Küste, direkt über dem Diatomeenschlammgürtel. © NASA image courtesy Jeff Schmaltz, MODIS Land Rapid Response Team at NASA GSFC


Es bleibt die Frage nach den Quellen und Mechanismen für die tödlichen Gasausbrüche. Eine weit verbreitete Annahme geht davon aus, dass der Schwefelwasserstoff von Bakterien im Wasser produziert wird. Dieser Prozess ist zum Beispiel auch aus der Ostsee bekannt. Demgegenüber steht die Hypothese, dass Schwefelwasserstoff aus dem Meeresboden entweicht - ob allmählich durch bakterielle Wachstumsprozesse oder abrupt durch plötzliche Gasausbrüche, war bislang ein Rätsel.

Bei diesen Eruptionen reißen sich ganze Bruchstücke vom Meeresboden los. Im Jahre 2002 sichtete ein fahrender Fischer solch eine aufschwebende Insel direkt vor der afrikanischen Küste, weiß Volker Brüchert zu berichten. Der Geochemiker, der die Küstenregion vor Namibia schon sechsmal auf Forschungsreisen bereist hat, erzählt, dass akustische Messgeräte zwar viele Löcher im Sediment geortet hätten, „aber selber gesehen haben wir bei den Ausfahrten keine Inseln.“

Dennoch können die Bremer Meeresforscher nun erste Antworten auf den Ursprung der Schwefelgase geben. Ihr Ziel war es, herauszufinden, welche Rolle Mikroorganismen bei den Sedimentprozessen spielen, die den Kreislauf von Methan und Schwefelwasserstoff vor Namibias Küste steuern und ob überhaupt eine Verbindung mit den Gasausbrüchen existiert. Dazu haben die Forscher die im Wasser und Meeresboden lebenden Bakteriengemeinschaften unter die Lupe genommen.

 

Tatort Namibia

 

Eine große Quelle für Schwefelwasserstoff, H2S abgekürzt, sind im Schlamm des Meeresbodens lebende Bakterien, die die darin enthaltene Biomasse – also abgestorbene Tier- und Pflanzenreste – abbauen und verdauen. Dabei entsteht Schwefelwasserstoff als Abfallprodukt. Namibias Schelfsedimente enthalten mit bis zu 20 Prozent einen ungewöhnlich hohen Anteil an organischem Material. „ Deshalb haben diese Sedimente auch einen hohen biologischen Umsatz“, erklärt Brüchert, „so dass man dort auf ganz besondere Prozesse trifft.“

Die Küstenzone Namibias zählt zu den weltweit produktivsten Meeresregionen, den „Auftriebsgebieten“. Dort tritt kühles und nährstoffreiches Wasser aus den Tiefen des Ozeans an die Meeresoberfläche. Die Energie der Sonne und das stete Nährstoffangebot ermöglichen rund um das Jahr eine hohe Biomasseproduktion. Diese ist vor den Küstenstädten Lüderitz und Walvis Bay besonders stark ausgeprägt. Dabei setzt sich der Großteil der an der Meeresoberfläche produzierten Biomasse aus Algen zusammen. Sie bilden die Nahrungsgrundlage für die großen Fischbestände vor Namibias Küste.

Ein relativ flacher Schelf mit Wassertiefen bis zu 150 Metern und ruhige Meeresströmungen ermöglichen es, dass sich ein Großteil der Biomasse im Küstensediment ablagert. Die Produktion von Algen, also Biomasse, findet in der obersten Wasserschicht statt, die mit der Energie der Sonne versorgt wird. Sterben die Algen schließlich ab, beginnt ihre Reise zum Meeresgrund. Bereits kurz unter der Meeresoberfläche zersetzen im Wasser lebende Bakterien das organische Material. Der Abbauprozeß hat zur Folge, dass das Meerwasser nahezu über die gesamte Tiefe sowie große Bereiche des Schelfbodens sauerstofffrei werden. Schließlich sammelt sich die verbleibende abgestorbene und zersetzte Biomasse im „Diatomeenschlamm-Gürtel“ – einem wahren Algenfriedhof, der den Meeresboden entlang der namibianischen Küstenzone bedeckt.

Der hohe Biomasseeintrag und die sauerstofffreien Sedimente begünstigen die Schwefelwasserstoff- und Methangasproduktion. Denn wenn aufgrund des Sauerstoffmangels kein „aerober“ Abbau der Biomasse mehr möglich ist, müssen die Sedimentbakterien notgedrungen auf andere Prozesse zurückgreifen, um ihren Energiebedarf zu decken. So werden in den untersten Wasserschichten auf dem namibianischen Schelf vorwiegend stickstoff- und schwefelhaltige Komponenten, Nitrat und Sulfat, zur Energiegewinnung genutzt. Tatort sind diverse Sedimentschichten, in denen sich die Bakterienspezialisten mit dem Abbau der Biomasse ablösen. Dabei findet der energiereichste Prozess, die „Denitrifikation“, nahe an der Sedimentoberfläche statt. Mit absteigender Energieausbeute verlagert sich der Abbau zum Beispiel durch sulfatreduzierende Bakterien nach und nach in tiefer liegende Bodenschichten. Bei der „Sulfatreduktion“ entsteht als Abfallprodukt Schwefelwasserstoffgas, welches durch das Sediment nach oben diffundiert und so ins Wasser gelangt.

Isotopenmessungen der Max-Planck-Forscher zufolge bestreiten im Sediment lebende sulfatreduzierende Bakterien mit 95 Prozent fast die gesamte Schwefelwasserstoff-Produktion in den küstennahen Regionen. Im Vergleich zu den im Wasser lebenden Sulfatreduzierern sind die Sedimentbakterien um zwei Größenordnungen fleißiger. Volker Brüchert ist sich aufgrund der gemessenen Transportraten sicher, „dass der Großteil des Schwefelwasserstoffs aus dem Sediment kommt“ und somit die Giftgaswolken erklärt.

 

Killergase machen kurzen Prozess

 

Freies Schwefelwasserstoffgas ist eine Spezialität Namibias. Denn normalerweise reagiert das Gas im Meeresboden mit gelöstem Eisen zu Eisensulfid – auch Katzengold genannt. Dadurch wird es als Mineral im Boden gebunden und kann nicht entweichen. Da nahezu die gesamte namibianische Küstenregion aus Wüste besteht, gelangt jedoch nur eisenarmer Sand mit dem Wind ins Meer. Eisenhaltige Stoffe, die über Flüsse eingeschwemmt werden, sind auf die kurze Regenzeit beschränkt und eher unbedeutend. Der bakterielle Umsatz ist zwar hoch, H2S kann aber nicht mit Eisen reagieren. „Es gibt entweder Bakterien, die es oxidieren können“, betont Dr. Volker Brüchert, „oder es tritt in die Wassersäule hinaus“.

Dort kann das Schwefelwasserstoffgas großen Schaden anrichten – es sei denn, Bakterien oxidieren das Gas rechtzeitig, bevor es an die Wasseroberfläche steigt. Denn diese milchig-grünen Wolken wirken wie Giftbomben: Schwefelwasserstoffgas ist bereits ab 5 ppm (kurz für parts per million) toxisch und bei einer Konzentration ab 1000 ppm tödlich! Wie giftig solch eine Wolke tatsächlich ist, lässt sich bislang kaum abschätzen, „aber die Fische haben damit offensichtlich Schwierigkeiten“, erklärt der Bremer Forscher verschmitzt. Die Schwefelwasserstoffkonzentration – und damit der Gefährdungsgrad - hängt stark von der Verdünnung des Gases im Meerwasser ab.

Nicht nur für die Fischwelt ist das hochgiftige Gas problematisch, auch für die Forscher selbst kann es gefährlich werden. Da die menschliche Nase bei massiven Schwefelwasserstoffkonzentrationen schnell abstumpft, wird die eigene Vergiftung nicht bemerkt. In der Praxis heißt dies für die Wissenschaftler, dass sie zur Untersuchung eines Sedimentkerns schon einmal eine Gasmaske aufsetzen müssen. „Ich hab noch niemals etwas so schlimm Stinkendes erlebt“, lacht Volker Brüchert bei der Erinnerung an die Arbeit an Bord des Forschungsschiffes Meteor. „Vielleicht etwas morbide“, so räumt Brüchert weiter ein, „aber gerade diese Prozesse in solchen organischreichen Sedimenten zu studieren, die sonst im Boden verborgen bleiben, haben eine gewisse Attraktivität und Faszination an sich.“

 

Wo ist Mr. X?

 

Außer Schwefelwasserstoff enthalten die giftigen Gaswolken auch noch freies Methan. Diese Kohlenwasserstoffverbindung wirkt kurzfristig als ein sehr viel stärkeres Treibhausgas als Kohlenstoffdioxid. Seine Quellen liegen ebenfalls im Meeresboden. Methan wird tief im Sediment unterhalb der Sulfatreduktionszone durch den bakteriellen Abbau von Biomasse produziert. Dieses Gas wird als der eigentliche Antrieb für die Schwefelwasserstoffgasaustritte angesehen. Die von Brücherts Team in den Sedimentkernen gemessenen Methanbildungsraten zeigen, dass im Meeresboden viel mehr Methan produziert als durch andere bakterielle Prozesse wieder verbraucht wird. Somit entsteht mit der Zeit ein wachsender Gasüberdruck im Sediment. Dennoch erklärt die bakterielle Produktion längst nicht ausreichend die massiven Eruptionen und hohen Konzentrationen von Methangas, die aus dem Meeresboden entweichen.

Der Mechanismus der Methanfreisetzung und dessen Rolle für den Methankreislauf bleibt also unklar – die Bremer Forscher vermuten dahinter jedoch eine physikalische Ursache.

 

Die Sediment-Agenten

 

Neben möglichen Schwefelwasserstoffquellen, war das Augenmerk der Bremer Forscher auf die Untersuchung von Riesenbakterien gerichtet. Sie spielen im Sedimentkrimi eine besondere Rolle. Die Arten Beggiatoa und Thiomargarita regulieren auf unterschiedliche Weise den Schwefelwasserstoffgasfluss aus den Sedimenten. Somit ist ihr Auftreten ein Anzeichen für mögliche Giftgasvorkommen. Ihr Stoffwechsel gibt Aufschluss über die Verteilung der Nährstoffe im Bodenwasser – ein wichtiges Indiz für dieses hochproduktive Meeresgebiet.

Die großen Schwefelbakterien, Thiomargarita und Beggiatoa, sind beide mit bloßem Auge sichtbar und nutzen den Schwefelwasserstofffluss aus dem Sediment, um daraus Energie zu gewinnen. Beide Bakterientypen speichern in ihren Zellen Schwefel, den sie als Energiereserve nutzen. Die bis zu einen Millimeter große Thiomargarita - der Blauwal unter den Bakterien - kann zusätzlich Nitrat einlagern. Das zahlt sich aus! Thiomargarita verbraucht nur einen Bruchteil des H2S-Flusses und ist durch ihren doppelten Nährstoffspeicher flexibler: Sie nutzt entweder ihren gespeicherten Schwefel oder setzt ihr Nitrat zur Oxidation des Schwefelwasserstoffs ein - als zusätzliche Energiequelle. „Damit hat sie die zwei Nährstoffe, die sie braucht, auch immer dabei“ erläutert Dr. Brüchert. Thiomargarita toleriert sehr viel höhere H2S-Konzentrationen als Beggiatoa. „Das erlaubt ihr, ökologische Nischen zu besetzen, die Beggiatoa nicht abdecken kann“, so Brüchert weiter. Dieses schwefelfressende Riesenbakterium ist besonders in der Schelfregion des biomassereichen Diatomeenschlammgürtels mit seinen extrem schwefelwasserstoffhaltigen Sedimenten von zentraler Bedeutung. Volker Brüchert hält fest: „Thiomargarita kann den H2S-Fluss um 50 bis hinzu sogar 100 Prozent absenken“. Allerdings nur so lange, bis ihr intrazellulärer Nitratspeicher erschöpft ist. Ihr Wachstum ist dann allein von der Nitratmenge im Bodenwasser und somit den Meeresströmungen vor Namibias Küste abhängig. „Die Bakterien sind quasi die „Sklaven“ des Zirkulationsmusters“, schließt Brüchert.

 

Riesenbakterium unter dem Mikroskop

Riesenbakterium unter dem Mikroskop. Die bis zu einem Millimeter großen Zellen von Thiomargarita (übersetzt: Schwefelperle) enthalten Schwefelreserven, die das Bakterium zur Energiegewinnung nutzt – sie reflektieren leuchtend weiß. © Volker Brüchert


Bei der Betrachtung der Riesenbakterien wird deutlich, wie wichtig ein Verständnis der Nährstoffverteilung innerhalb dieses Auftriebssystems ist, um Quellen und Senken der toxischen Schwefelwasserstoffaustritte zu identifizieren. Die jahreszeitlichen Schwankungen der Schwefelwasserstoffausbrüche können jedoch nicht durch geochemische Prozesse allein erklärt werden. „Hier spielen die Strömungs- und Transportprozesse in den bodennahen Wasserschichten die entscheidende Rolle“ ergänzt Dr. Hans-Ulrich Lass vom Institut für Ostseeforschung in Warnemünde und Koordinator des NAMIBGAS-Projekts in Deutschland. „Denn diese steuern sozusagen das Bodenventil – die Riesenbakterien – die den Austritt von H2S aus dem Sediment ins Meerswasser regulieren.“ Der lokale Bestand der großen Schwefelbakterien könnte somit als Indikator dienen, wo freier Schwefelwasserstoff in der Wassersäule zu erwarten ist. Sofern Bakterien und Schwefelwasserstoffgas zusammen vorkommen, betont Dr. Brüchert, seien sie auch ein Anzeiger dafür, dass im System noch alles im Lot ist. Ziel der Meeresforscher ist die Entwicklung eines Frühwarnsystems für das Auftreten der gefährlichen sauerstoffarmen Küstengewässer. Dieses Warnsystem soll der lokalen Fischerei zur Verfügung stehen.

Die neuesten Ergebnisse der NAMIBGAS-Studie sind schon jetzt eine Bereicherung für die Modellierung biogeochemischer Prozesse vor der westafrikanischen Küste. Mit den Modellen soll ein besseres Verständnis der Nährstoffverteilung und deren Bezug zur Ozeanzirkulation und damit verbundenen Klimaänderungen erzielt werden. Es bleibt also weiterhin spannend im Wissenschaftskrimi Namibia.

AA, iserundschmidt 10/2007


Mehr Informationen zum Projekt NAMIBGAS finden Sie hier und auf den Seiten des Instituts für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) sowie des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen.

 

Verweise
Bild(er)