Dr. Oliver Schmale

PICASSO - Prozesseinblicke in die Quellen und Senken von Methan im Auftriebsgebiet von Concepcíon, DFG SCHM 2503/10-1

Aus biogeochemischer Sicht zeichnen sich Auftriebsgebiete und die damit verbundenen Sauerstoffminimumzonen durch die Komplexität ihrer ozeanographischen Bedingungen und die Vielfalt der biogeochemischen Transformationen aus, die entlang ausgeprägter Sauerstoffgradienten stattfinden. Der Transport von Biomasse und der anschließende Abbau im Sediment unter anoxischen Bedingungen fördert die klassische mikrobielle Methanogenese. Darüber hinaus trägt die aerobe Methan(CH4)-Produktion aus der bakteriellen Spaltung von methylierten Verbindungen (wie z.B. Methylphosphonat, MPn) zur CH4-Übersättigung im Oberflächenwasser bei. Jüngste Studien haben gezeigt, dass küstennahe Auftriebsgebiete in Verbindung mit Sauerstoffminimumzonen als die größten pelagischen CH4-Reservoirs im Ozean gelten, was sie zu marinen Hotspots für Treibhausgase macht. Es ist jedoch noch nicht klar, ob der Klimawandel das Potenzial hat, einen Anstieg der Treibhausgasemissionen aus Auftriebsgebieten zu verursachen. Um besser vorhersagen zu können, inwieweit Quellen und Senken von Treibhausgasen in diesen Gebieten durch den Klimawandel beeinflusst werden, ist es unerlässlich, (i) die Quantifizierung der einzelnen Quellen und Senken relevanter Treibhausgase zu verbessern und (ii) ein mechanistisches Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen und mikrobiellen Prozesse zu erlangen, um bessere Vorhersagen darüber zu ermöglichen, wie sich eine veränderte Umwelt auf die Quellstärke dieser Gase auswirken wird. Auf der Grundlage unserer eigenen Studien in Auftriebsgebieten und anderen Sauerstoffminimumzonen stellen wir die Hypothese auf, dass (i) die pelagische mikrobielle CH4-Oxidation in der oxischen/anoxischen Übergangszone den CH4-Fluss zur Meeresoberfläche wirksam reduziert, aber von der Intensität der vertikalen Durchmischung zwischen oxischem Oberflächenwasser und CH4-angereichertem Tiefenwasser beeinflusst wird, und dass (ii) der Abbau von MPn im Oberflächenwasser zur CH4-Übersättigung beiträgt und von der Verfügbarkeit von anorganischem Phosphor gesteuert wird. Um diese Fragen zu untersuchen, planen wir zusammen mit unseren chilenischen Kooperationspartner der Universität Concepción eine Kombination aus ozeanographischen, biogeochemischen und mikrobiologischen Studien entlang eines Schelf-Transekts vor Concepción, um Gebiete zu definieren, die durch unterschiedliche Durchmischungsintensitäten innerhalb der oxischen/anoxischen Übergangszone gekennzeichnet sind. Parallel zu hochauflösenden Beobachtungen der turbulenten Durchmischung werden wir die mikrobielle CH4-Oxidation, die Häufigkeit von methanotrophen Bakterien und ihre CH4-Oxidationsaktivität bewerten. Um die Rolle des MPn-Abbaus in Bezug auf die CH4-Produktion in Oberflächengewässern zu überprüfen, werden wir Inkubationsexperimente mit Oberflächenwasser durchführen, das durch unterschiedliche Nährstoffverfügbarkeiten gekennzeichnet ist.

MicroMeth - Methanproduktion durch Mikrophytobenthos und dessen Beitrag am benthischen Methanfluss in der Küstenzone der Ostsee, DFG SCHM 2503/9-1

Der Anstieg natürlicher Emissionen des Treibhausgases Methan haben einen bedeutenden Einfluss auf das Klima der Erde. Als Methanquelle nehmen küstennahe Gewässer eine besondere Stellung ein, da die Methankonzentration im Wasser hier wesentlich höher ist als im offenen Ozean. Trotz der Bedeutung der Küstengebiete ist bisher nur wenig bekannt über die hier zu findenden Methanemittenten und ihr jeweiliger Beitrag am atmosphärischen Methanfluss. Zudem zeigen eine Reihe aktueller Untersuchungen, dass Methan nicht nur unter anoxischen Bedingungen mikrobiell gebildet werden kann, sondern dass dies auch in einer oxischen Umgebung möglich ist. Eine solche Methanproduktion nahe der Meeresoberfläche würde den Weg zwischen Methanquelle und Atmosphäre wesentlich verkürzen und damit den Methanfluss in die Atmosphäre verstärken. Aufgrund einiger Untersuchungen, die eine Verknüpfung zwischen Primär- und Methanproduktion aufzeigen, stellen wir die Hypothese auf, dass Mikrophytobenthos (MPB)-Gemeinschaften eine wichtige, aber bisher nicht bearbeitete Stellung in der Flachwasser-Methandynamik zukommen. MPB-Gemeinschaften nehmen eine herausragende Rolle in der Primärproduktion von Küstensedimenten ein. Um die Bedeutung der MPB-assoziierten Methanproduktion besser einordnen zu können, werden wir das Potential dieser Methanquelle in Inkubationsexperimenten detailliert untersuchen. Zur Bestimmung der hierbei wichtigen Effektoren und Mikrophytobenthosarten werden wir an verschiedenen axenischen und xenischen klonalen Kulturen benthischer Diatomeen-Spezies die Primär- und Methanproduktion unter kontrollierten Temperatur- und Lichtbedingungen bestimmen. Mit Hilfe einer neuen Cavity-Ring-Down-Spektroskopie basierten Methode planen wir an geschlossenen Inkubationen die Methankonzentrationsentwicklung in hoher zeitlicher Auflösung über Tag/Nacht Zyklen zu erfassen. Zusätzliche Inkubationen mit 13C-markierten Substraten werden es uns erlauben, den Weg der Methanproduktion in den Diatomeen einzugrenzen. Bisher wurde der Prozess der oxischen Methanproduktion nur in Kulturexperimenten untersucht. Ob die hier ermittelten Raten auch in die natürliche Umgebung übertragbar sind, wurde hingegen nicht geprüft. Um diese Wissenslücke zu schließen, planen wir neben den Experimenten an klonalen Kulturen auch Studien an natürlichen MPB-Gemeinschaften durchzuführen. Diese Gemeinschaften werden wir im Flachwasser vor der Insel Askö (schwedische Ostseeküste) und dem inneren Küstengewässer vor Zingst (Darßer-Zingst-Bodden, deutsche Ostseeküste) beproben, um ein möglichst breites Spektrum an Sedimenten, hydrodynamischen Bedingungen und MPB-Gemeinschaften abzudecken. Um die in unseren Experimenten ermittelten Methanproduktionsraten in die benthischen und atmosphärischen Methanflüsse besser einordnen zu können, werden wir in beiden Untersuchungsgebieten die Methanflüsse zwischen Sediment, dem Wasser und der Atmosphäre bestimmen.

NArrFix – Stickstoff und Argon Messungen zur Quantifizierung der Stickstofffixierung im Oberflächenwasser der Ostsee, DFG SCHM 2503/8-1

Stickstofffixierung durch Cyanobakterien ist ein verbreitetes Phänomen in der zentralen Ostsee und dem finnischen Meerbusen. Sie tritt vorwiegend im Hochsommer (Juni – August) bei vollständiger DIN (dissolved inorganic nitrogen) Verarmung auf. Der Beitrag zum N-Budget ist erheblich und verstärkt die Eutrophierung der Ostsee. Abschätzungen beziffern den Eintrag auf 300 kt-N/Jahr - 800 kt-N/Jahr und liegen damit in der gleichen Größenordnung wie die Summe aus den Flusseinträgen und der amosphärischen Deposition. Diese weite Spanne in den Abschätzungen ist auf eine erhebliche zwischenjährliche Variabilität der N₂-Fixierung und auf große Unsicherheiten, die mit den verschiedenen Ansätzen zur Quantifizierung (¹⁵N-Inkubation; N-Budget; pCO₂-Messungen; excess-PO₄) sowie mit der Becken-weiten Extrapolation lokaler Studien verbunden sind. Unser Ansatz beruht auf der großräumigen Erfassung der Abnahme der N₂-Konzentrationen im Oberflächenwasser während einer Cyanobakterien-Blüte sowie ergänzender Ar-Messungen zur Berücksichtigung des N₂-Gasaustauschs mit der Atmosphäre. Die N₂- und Ar-Konzentrationen werden quasi-kontinuierlich ermittelt, indem N₂ und Ar massenspektrometrisch in Luft bestimmt werden, die in ein Gleichgewicht mit kontinuierlich zugeführtem Oberflächenwasser überführt wurde (MIMS, Membrane Inlet Mass Spectroscopy). Die Messvorrichtung wird an ein bestehendes Messsystem für die Analyse von Spurengasen (CO₂, CH₄, O₂, N₂O, CO) auf einem „voluntary observation ship“ (VOS, „Finnmaid“) gekoppelt. Dadurch werden die N₂- und Ar-Konzentrationen zwischen der Mecklenburger Bucht und dem finnischen Meerbusen mit einer zeitlichen Auflösung von 2 – 3 Tagen erhalten. Zwei intensive Messphasen (2012 und 2022) sind vorgesehen, um die Stickstofffixierung während der Hauptsaison der Cyanobakterien-Blüte (Juni – August) zu quantifizieren. Damit beabsichtigen wir, die Faktoren, die eine Cyanobakterien-Blüte auslösen und möglicherweise limitieren, wie etwa die Temperatur, PO₄-Verfügbarkeit und meteorologische/hydrographische Bedingungen, zu identifizieren. Die gleichzeitigen Aufzeichnungen des pCO₂ mit dem existierenden Messsystem werden genutzt, um eine unabhängige Abschätzung der Biomasse-Produktion der Cyanobakterien und der damit verbundenen N₂-Fixierung vorzunehmen. Es werden zudem durch die Kooperation mit dem Finnish Environment Institute (SYKE) Daten zu den Konzentrationen von Gesamt-N und -P verfügbar sein, die über eine Stickstoffbilanz eine Konsistenzprüfung mit der bestimmten N₂-Fixierung zulassen. Die Integration der für die unmittelbare Oberfläche bestimmten N₂-Fixierung erfolgt mit Hilfe numerischer Modellierung (GETM), durch die nach verschiedenen Kriterien die Tiefe der durchmischten Schicht ermittelt wird. Für die Extrapolation der N₂-Fixierung auf die Fläche ganzer Becken wird in Kooperation mit der Fernerkundungsgruppe Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) der Versuch unternommen, Satelliten-Daten zu nutzen.

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.

Ausgewählte Ergebnisse (nur englisch)

ZooM - Zooplankton assoziierte Methanproduktion, DFG SCHM 2503/5-1

ZooM - Projektdetails

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?

Ausgewählte Ergebnisse (nur englisch)

Baltic Methane - Aerober und anerober Methanumsatz in der Wassersäule der zentralen Ostsee (Gotland- Tief und Landsort- Tief), DFG SCHM 2530/2-1.

Baltic Methane - Projektdetails

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.

Ausgewählte Ergebnisse (nur englisch)

BuShu (Bubble Shuttle) - Transport Methan-oxidierender Mikroorganismen aus dem Sediment in die Wassersäule über Gasblasen (Bubble Shuttle), DFG SCHM 2530/3-1.

BuShu (Bubble Shuttle) - Projektdetails

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.

Ausgewählte Ergebnisse (nur englisch)

beendete Projekte

DFG- 1144 "Vom Mantel zum Ozean: Energie-, Stoff- u. Lebenszyklen an Spreizungsachsen" Austritt und Transport von Methan u. Wasserstoff am mittelatlantischen Rücken, DFG SCHM 25

DFG-Schwerpunktprogramm 1144 - Projektdetails

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.

Ausgewählte Ergebnisse (nur englisch)

BONUS Baltic Gas- Methanemission in der Ostsee: Gasablagerung und die Auswirkungen auf den Klimawandel und die Nährstoffablagerung.

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 approach