Sedimentarchive von Cyanobakterien Spuren vergangener Algenblüten vom Boden der Ostsee

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Jahr für Jahr trüben Cyanobakterien das Ostseewasser. Forscher des Leibniz-Instituts für Ostseeforschung Warnemünde haben nun Sedimentbohrkerne auf die Blaualgenblüte der vergangenen 160 Jahre analysiert. Dazu suchten sie nach speziellen Biomarkern, die auch nach Jahrhunderten noch nachweisbar sind. Eines der Ergebnisse: Überdüngung hatte scheinbar keinen Einfluss auf die Algenblüte, der Klimawandel hingegen schon.

Rostock – Der Hochsommer ist ihre Zeit: Cyanobakterien – umgangssprachlich Blaualgen genannt – geht es im Juli und August besonders gut, weil nach der Hauptwachstumsphase nur noch wenig Nährstoffe im Oberflächenwasser sind. Ihr massenhaftes Auftreten kann nicht nur den Badespaß vermiesen, weil es das Wasser in eine gelbbraune Brühe verwandelt; diese Organismen schaden auch dem Ökosystem. Denn sterben die Algenmassen ab, so sinken sie auf den Meeresboden, wo bei ihrer Zersetzung Sauerstoff verbraucht wird. So entstehen ganze „tote Zonen“ am Boden der Ostseebecken, die sich Jahr für Jahr ausbreiten.

Den Ursachen der häufigen Blaualgenblüten versuchen die Meeresbiologen am Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde auf den Grund zu kommen. Gemeinsam mit Kollegen aus der Sektion Marine Geologie haben sie nun Sedimentkerne auf die Entwicklungsgeschichte der Cyanobakterien untersucht.

Langlebige Überreste im Ostsee-Sediment

Die Forscher nutzten zwei Biomarker, die fast ausschließlich durch die in der Ostsee häufig vorkommenden Cyanobakterien Aphanizomenon sp. und Nodularia spumigena produziert werden. Sie suchten nach bestimmten Kohlenwasserstoffen, welche Cyanobakterien aus Fettsäuren herstellen und die fast ausschließlich durch die in der Ostsee häufig vorkommenden Cyanobakterien Aphanizomenon sp. und Nodularia spumigena produziert werden. Die gesuchten Moleküle sind über Jahrtausende stabil und lassen sich mit einem vertretbaren methodischen Aufwand in Sedimentproben detektieren, was sie zu idealen Biomarkern macht.

So gelang es dem Team um den Warnemünder Meeresgeologen Dr. Jérôme Kaiser, innerhalb eines auf 160 Jahre datierten Sedimentkernes durchgehend Cyanobakterien nachzuweisen. Bis zum Jahr 1920 fanden die Forscher nur relativ wenig der Biomarker. Danach zeigen die Analysen einen Wechsel von Perioden mit hoher und niedriger Häufigkeit der Cyanobakterien. Einen signifikanten Anstieg in den 1950er Jahren, als die Überdüngung der Ostsee erheblich zunahm, fanden die Meeresforscher nicht. Dafür zeigte sich aber eine Parallelität zur Entwicklung der sommerlichen Temperatur des Oberflächenwassers. Gleichfalls scheinen zyklische Zirkulationsschwankung der Ozeanströmungen im Nordatlantik (60 bis 90 Jahre) indirekt Einfluss zu nehmen.

Stickstoffeintrag in Gewässer kontrollieren

Weniger Stickstoff bedeutet geringere Algenblüte

Eignung als Biomarker verifiziert

Um die Aussagekraft der Biomarker zu beleuchten, untersuchten die Wissenschaftler frisch sedimentiertes Material einer Cyanobakterienblüte aus Sinkstofffallen der zentralen Ostsee. Sie werteten die Proben auf ihren Gehalt an den Biomarkern im Verhältnis zu Menge und Masse der Cyanobakterien aus.

Die Biomarker-Daten, sowohl aus den Sinkstofffallen als auch aus dem Sedimentkern, verglich das Team mit den Angaben zum Aufkommen von Cyanobakterien aus Monitoring-Programmen und Satellitenbildern der zurückliegenden 35 Jahre. Sie wiesen nach, dass die untersuchten Biomarker nicht nur generell die Anwesenheit von Cyanobakterien anzeigen, sondern darüber hinaus auch grobe Aussagen über die Mengen an Organismen zulassen, die die Biomarker produziert haben. Das gilt vor allem für die Spezies Nodularia spumigena, die in der zentralen Ostsee häufigste Cyanobakterien-Art.

Bringt die Erderwärmung einen Blaualgen-Anstieg?

Mit diesen Erkenntnissen wagten sich die Wissenschaftler auch an einen 7000 Jahre umfassenden Sedimentkern aus der Bottensee, einem Becken im Norden der Ostsee. Dieser Zeitabschnitt umfasst das mittlere und späte Holozän, eine warmzeitliche Epoche, die mit dem Ende der letzten Eiszeit begann. Für die heutige Klimaforschung ist sie besonders interessant, weil im Klimaoptimum des mittleren Holozäns die durchschnittlichen Temperaturen auf der Nordhemisphäre um 1 bis 1.5 °C höher als heute waren – also so warm, wie sie durch die Erderwärmung in einigen Jahrzehnten sein werden.

In einem entsprechenden Abschnitt des Bottensee-Sedimentkernes war der Gehalt an den Cyano-Biomarkern bis zu 100-mal höher als in der heutigen zentralen Ostsee. Das legt häufige und starke Cyanobakterienblüten nahe – dort, wo heute die Biomasse der Cyanobakterien-Blüten vier- bis fünfmal geringer ist als in der zentralen Ostsee. „Die beiden Methylheptadekan-Biomarker sind für das gesamte Holozän einsetzbar,“ fasst Kaiser die Ergebnisse zusammen. „Sie haben uns gezeigt, dass Cyanobakterien drastisch auf Klimaanomalien reagieren können. In Anbetracht der anhaltenden Erderwärmung sollten wir das im Blick behalten.“

Originalpublikation: Kaiser, J., N. Wasmund, M. Kahru, A. K. Wittenborn, R. Hansen, K. Häusler, M. Moros, D. Schulz-Bull and H. W. Arz : Reconstructing N2-fixing cyanobacterial blooms in the Baltic Sea beyond observations using 6- and 7-methylheptadecane in sediments as specific biomarkers, Biogeosciences 17: 2579-2591, DOI: 10.5194/bg-17-2579-2020

* Dr. B. Hentzsch, Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde, 18119 Rostock

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