Leben unter Extrembedingungen an heißen Quellen im Ozean

Die Vulkaninsel Kueishantao im Nordosten Taiwans ist ein extremer Lebensraum für marine Organismen. Mit einem aktiven Vulkan verfügt das küstennahe Gebiet über ein einzigartiges Hydrothermalfeld mit einer Vielzahl an heißen Quellen und vulkanischen Gasen. Der Säuregehalt des Untersuchungsgebietes zählte zu den höchsten der Welt. Das gut zugängliche Flachwasser rund um der Vulkaninsel gehört damit zu den idealen Forschungsumgebungen, um die Anpassungsfähigkeiten von zum Teil hoch spezialisierten marinen Organismen wie Krebse an stark versauertes und toxisches Meerwasser zu untersuchen.

Rund zehn Jahre hatten Meeresforschende des Instituts für Geowissenschaften an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gemeinsam mit ihren chinesischen und taiwanesischen Partnern der Zhejiang-Universität in Hangzhou und der National Taiwan Ocean University in Keelung regelmäßig Daten zu geologischen, chemischen, biologischen Prozessen erhoben als im Jahr 2016 zwei Ereignisse die Ergebnisse der Zeitreihe unterbrachen. Erst wurde die Insel von einem Erdbeben erschüttert und nur wenige Wochen später von dem schweren tropischen Taifun Nepartak getroffen. Auf Grundlage ihrer seit Jahren erhobenen Daten konnten die Forschenden aus Kiel, China und Taiwan aber nun erstmalig aufzeigen, dass sich biogeochemische Prozesse durch die Folgen des enormen Erdbebens und Taifuns verändert hatten und wie sich unterschiedliche Organismen im Laufe nur eines Jahres grundsätzlich erneut anpassen konnten. Die ersten Ergebnisse der interdisziplinären Studie auf Basis des umfangreichen Datenmaterials, das zum Teil bis in die 1960er Jahre zurückgeht, wurden kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift Nature Scientific Reports veröffentlicht.

„Unsere Studie zeigt deutlich, wie eng vor allem atmosphärische, geologische, biologische und chemische Prozesse zusammenwirken und wie ein Ökosystem mit extremen Lebensbedingungen wie vulkanische Quellen am Meeresboden auf Störungen durch natürliche Ereignisse reagiert“, sagt Dr. Mario Lebrato vom Institut für Geowissenschaften an der Uni Kiel.

Seit Jahren forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Kieler Leitung von Dr. Dieter Garbe-Schönberg und Dr. Mario Lebrato vom Institut für Geowissenschaften an der CAU am flachen Hydrothermalsystem „Kueishantao“. Der ausgewählte Standort weist eine Vielzahl an Kohlendioxid-Austritten im flachen Wasser auf. Darüber hinaus setzen die Quellen toxische Metalle frei. Schwefel verfärbt das Wasser über große Flächen. Die vulkanischen Gase weisen zudem einen hohen Anteil an Schwefelverbindungen aus und führen zu einer starken Versauerung des Meerwassers. Über Methoden der Vermessung, Modellierung, regelmäßigen Probennahmen und mit Hilfe von Laborexperimenten leistet die Erforschung des Hydrothermalfeldes daher einen wichtigen Beitrag zu den Auswirkungen der Ozeanversauerung auf marine Lebensgemeinschaften. In unmittelbarer Nähe der Quellen leben nur wenige spezialisierte Tierarten wie Krebse, Schnecken und Bakterien. Nur wenige Meter weiter herrscht dagegen das vielfältige Leben eines tropischen Ozeans.

„Durch den Säuregehalt des Wassers, den hohen Gehalt an giftigen Stoffen und erhöhte Temperaturen können die dort vorherrschenden Lebensbedingungen als natürliche Laboratorium für die Untersuchung von signifikanten Umweltbelastungen durch den Menschen dienen. An den Quellen bei Kueishantao lassen sich daher zukünftige Szenarien bestens erforschen“, sagt Co-Autorin Dr. Yiming Wang, die kürzlich von der Uni Kiel zum Max-Planck-Institut nach Jena wechselte.

Nach den schweren Ereignissen im Jahr 2016 veränderte sich das Untersuchungsgebiet völlig. Der Meeresboden wurde unter einer Schicht von Sediment und Gesteinsschutt begraben. Zudem versiegten die sauren Warmwasserquellen, und auch die Zusammensetzung des Meerwassers hatte sich großräumig und für einen längeren Zeitraum deutlich verändert. Luftaufnahmen mit Drohnen, Probenahmen durch Forschungstaucher aus Kiel und Taiwan und biogeochemische Untersuchungen zeigten deutlich das räumliche wie chemische Ausmaß der Störungen. Diese wurden vom Biologen und Forschungstaucher Mario Lebrato und seinem taiwanesischen Kollege Li Chun Tseng federführend erfasst und mit den Ergebnissen früherer Probennahmen verglichen. „Was anfangs wie eine Katastrophe auch für unsere laufende Zeitreihenuntersuchung aussah, erwies sich im Nachhinein als Glücksfall. So bekamen wir die seltene Gelegenheit, unmittelbar nach solchen Ereignissen zu beobachten, wie sich Organismen an die schweren Störungen anpassen. Wir konnten dafür auf eine umfassende Datenbasis zurückgreifen“, erläutert Projektleiter Dr. Dieter Garbe-Schönberg vom Institut für Geowissenschaften an der Uni Kiel.

Die Studie ist ein erstes Ergebnis des vom BMBF im Rahmen des Programms Forschung für nachhaltige Entwicklung (FONA3) geförderten Projektes „Das Kueishantao-Hydrothermalfeld als natürliches Labor für die Untersuchung von Auswirkung der Ozeanversauerung“ (noch bis Dezember 2020) und wird in enger Zusammenarbeit mit taiwanesischen und chinesischen Partnern durchgeführt.

Originalarbeit
Lebrato, M., Wang, Y.V., Tseng, L. et al. Earthquake and typhoon trigger unprecedented transient shifts in shallow hydrothermal vents biogeochemistry. Scientific Reports 9, 16926 (2019), https://doi.org/10.1038/s41598-019-53314-y

Video zum Untersuchungsgebiet
https://youtu.be/us6hIY5MqGU

Fotos stehen zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/363-flachwasser.jpg
Luftaufnahme von den säurehaltigen heißen Quellen im Flachwasser der taiwanesischen Kueishantao Vulkaninsel, sichtbar durch die weißliche Verfärbung des Meerwassers durch Schwefel.
© Mario Lebrato, Uni Kiel

http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/363-heisse-quelle.jpg
Unterwasseraufnahme von Gasaustritten im Flachwasser bei der Vulkaninsel Kueishantao, Taiwan. Die Gase sind reich an Kohlendioxid und Schwefelverbindungen und führen zur Versauerung des Meerwassers.
© Mario Lebrato, Uni Kiel

http://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/363-schwefelhaltige-quellen.jpg
Luftaufnahme von der Kueishantao Vulkaninsel vor der Ostküste Taiwans
© Mario Lebrato, Uni Kiel

Links
http://www.marineclimateresearch.ifg.uni-kiel.de/de
(Institut für Geowissenschaften, Marine Klimaforschung)

http://www.kms.uni-kiel.de
(Schwerpunkt Kiel Marine Science)

Wissenschaftlicher Kontakt
Dr. Dieter Garbe-Schönberg
Institut für Geowissenschaften (CAU)
E-Mail: dieter.garbe-schoenberg@ifg.uni-kiel.de
(nur per Mail erreichbar, derzeit auf FS Sonne)

Dr. Mario Lebrato
E-Mail: mlebrato13@gmail.com
Telefon: (+44) 7342 949332

Dr. Dieter Garbe-Schönberg
Institut für Geowissenschaften (CAU)
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Dr. Mario Lebrato
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Lebrato, M., Wang, Y.V., Tseng, L. et al. Earthquake and typhoon trigger unprecedented transient shifts in shallow hydrothermal vents biogeochemistry. Scientific Reports 9, 16926 (2019), https://doi.org/10.1038/s41598-019-53314-y

https://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/363-heisse-quellen