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Wie viel des lebenswichtigen Spurenelements Eisen im Ozean für Meeresorganismen verfügbar bleibt, hängt entscheidend von der Vielfalt organischer Moleküle im Meerwasser ab. Das zeigt eine neue Studie eines internationalen Forschungsteams unter der Leitung von Dr. Martha Gledhill vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Die jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse ermöglichen es erstmals, die Bildung von Eisenmineralen und die Verteilung von gelöstem und partikulärem Eisen im Südpazifik realistisch vorherzusagen. Damit liefern sie wichtige Grundlagen, um besser zu verstehen, wie das Leben im Ozean auf den Klimawandel reagieren könnte.
Eisen ist ein wichtiger Nährstoff für viele Meeresorganismen. Seine Verfügbarkeit bestimmt daher maßgeblich die biologische Produktivität im Ozean – also, wie viel organisches Wachstum möglich ist, beginnend mit dem Phytoplankton an der Basis der Nahrungskette. Bisher war es jedoch schwierig vorherzusagen, wann und wo sich diese Minerale bilden.
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel konnte nun zeigen, dass die Vielfalt organischer Moleküle im Meerwasser entscheidend dafür ist, ob Eisen in gelöster Form verfügbar bleibt oder als Mineral ausfällt. Die Studie ist jetzt in der Fachpublikation Nature Communications erschienen.
„Im sauerstoffreichen Ozean wandelt sich Eisen spontan in feste, rostähnliche Minerale um. Dieser Prozess wird durch die Reaktion von Eisen mit organischer Substanz ausgeglichen – einem äußerst komplexen Gemisch von Molekülen, das als Folge marinen Lebens entsteht“, erklärt Erstautorin Dr. Martha Gledhill, Meereschemikerin am GEOMAR. „Wir haben festgestellt, dass die Vielfalt der organischen Substanz entscheidend dafür ist, ihre Fähigkeit zur Eisenbindung und ihre Konkurrenz zur Bildung von Eisenmineralen vorherzusagen.“
Warum bisherige Modelle zu kurz greifen
Bislang wurden die Reaktionen zwischen Eisen und organischer Substanz stark vereinfacht dargestellt, indem angenommen wurde, dass alle Moleküle ähnliche chemische Eigenschaften besitzen. Diese Annahme berücksichtigt jedoch nicht die Vielfalt der Moleküle, die gelöstes Eisen mit unterschiedlich starker Bindung festhalten und damit mehr oder weniger effektiv mit der Mineralbildung konkurrieren. Das Forschungsteam untersuchte daher die Frage, wie sich die chemische Vielfalt organischer Moleküle auf die Bindung von Eisen und die Bildung von rostähnlichen Mineralen auswirkt – und wie sich diese Prozesse unter den realen Bedingungen abhängig von Temperatur und Säuregrad des Meerwassers verändern.
Ein neuer Modellansatz
Für die Studie entwickelten die Forschenden ein neues chemisches Modell, das organische Substanz als vielfältige Mischung von Molekülen mit unterschiedlichen Bindungsstärken für Eisen beschreibt. Dieses Modell berücksichtigt erstmals die natürlichen Bedingungen des Meerwassers, insbesondere Temperatur und Säuregrad. Anschließend wurde der Ansatz auf Messdaten einer Expedition aus dem Jahr 2022 angewendet, die im Rahmen des internationalen GEOTRACES-Programms den Pazifik entlang des 30. südlichen Breitengrades durchquerte (SONNE-Fahrt SO289).
Die Ergebnisse zeigen, dass die chemische Vielfalt der organischen Substanz entscheidend ist, um vorherzusagen, wie Eisen zwischen seiner gelösten und partikulären Form verteilt ist. Besonders intensive Bildung von Eisenmineralen trat in der Nähe natürlicher Eisenquellen auf, etwa an hydrothermalen Quellen und einem Unterwasservulkan. Durch die realistischere Darstellung der organischen Substanz gelang es dem Team erstmals, bekannte Prozesse im Ozean zuverlässig zu reproduzieren, die mit bisherigen Modellen nur unzureichend erklärt werden konnten.
Bedeutung für Klimaforschung und marine Ökosysteme
Die neuen Erkenntnisse verbessern das Verständnis des marinen Eisenkreislaufs und liefern wichtige Bausteine für zukünftige biogeochemische und Klimamodelle. Da Eisen das Wachstum von Phytoplankton und damit die Aufnahme von Kohlendioxid beeinflusst, sind diese Ergebnisse auch für Prognosen zum Klimawandel von großer Bedeutung.
„Unsere Arbeit zeigt, dass die genaue Beschreibung der chemischen Eigenschaften organischer Substanz entscheidend ist, um den Eisenkreislauf im Ozean zu verstehen“, betont Gledhill. „Sie eröffnet einen Weg zu umfassenderen Modellen für Eisen und andere Metalle und hilft uns, die Reaktionen mariner Ökosysteme auf zukünftige Umweltveränderungen besser abzuschätzen.“
Die Studie wurde vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) sowie vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel gefördert. Beteiligt waren neben dem GEOMAR auch die Universität Lleida (Spanien) sowie das Niederländische Institut für Meeresforschung (NIOZ).
Gledhill, M., Gosnell, K., Humphreys, M. P., Delaigue, L., Helle, N., Zhu, K., Lodeiro, P., Rey-Castro, C., & Achterberg, E. P. (2026). Chemical controls on iron distributions across the subsurface South Pacific Ocean. Nature Communications, 17, 3533.
https://doi.org/10.1038/s41467-026-72070-y
https://www.geomar.de/n10258 Bildmaterial zum Download
https://www.geomar.de/news/article/spurenelementen-auf-der-spur PM zur SONNE-Expedition SO289
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Biologie, Chemie, Meer / Klima, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
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