Biogeochemistry of dissolved oxygen, phosphate, and sulfate in ultra-oligotrophic South Pacific Gyre (IODP Expedition 329) sediments
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Südpazifische Wirbel (SPW) ist weiter von den Kontinenten entfernt, als jeder andere Ozeanwirbel. Oberflächenchlorophyllkonzentrationen und Primärproduktivität sind hier schwächer als in jeder anderen Region der Ozeane. Die Sedimente unter dem ultra-oligotrophen Wasser dieses Wirbels weisen extreme Schwächen an Sedimentationsraten und Oberflächenzellreichtum auf. Als eine der wissenschaftlich am wenigsten erkundeten Regionen des Meeresbodens, trägt dieses Sedimentökosystem möglicherweise enorm zum globalen Elementezyklus von Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Phospor (P) und Eisen (Fe) bei. Ende 2010 besuchte die IODP-Expedition 329 (South Pacific Gyre Microbiology) den SPW mit dem ultimativen Ziel der Klärung der Mikrobiologie und Biogeochemie des größten ultra-oligotrophen Ökosystems unter dem Meeresboden auf diesem Planeten. Im Vergleich zu früheren Ansichten konnten wir zeigen, dass sauerstoffabhängige, heterotrophe Respiration gekoppelt an Oxidation organischer Marterie nicht auf die oberen Meter des ultraoligotrophen Sediments beschränkt ist, sondern durch die gesamte Sedimentsequenz fortbesteht. Experimentelle Sedimentinkubationen unter der Verwendung sensitiver Radiotracer und Beprobungsmethoden mit stabilen Isotopen (14C, and 15N) zeigen, dass Bakterien kontinuierlich organische Bestandteile abbauen, die sie aus den kleinen photosynthetisch produzierten marinen Überresten beziehen, die diese großen Tiefen erreichen. Chemoautotrophe Prozesse wurden nicht festgestellt. Auch waren unsere Bemühungen eine Methode zur Auswertung radiolytischer Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff aufzustellen nicht erfolgreich. Obwohl SPW-Sediment und darunterliegendes Fundament während des ganzen Verlaufs der Sedimentgeschichte sich auflösendem Sauerstoff ausgesetzt war (bis zu 120 Ma an Site U1365), besteht mikrobielle Oxidation organischer Stoffe. Diese Ergebnisse wurden extrapoliert, um die Existenz einer aeroben und niedrigen Sedimentationsrate vorherzusagen, die 9 – 37% des Meeresbodens umfasst und über geologische Zeitspannen Konsequenzen für elementare Strömungen wie Schwefel und Phosphor hat. Messungen von Schwefelisotopen zusammen mit experimentell bestimmten Sulfatreduktionsraten zeigen, dass Sulfat nur an der südlichsten, produktivsten Forschungsstelle mikrobisch abgebaut wird. Andernorts könnten unbekannte Prozesse im Basalt an einigen der oligotrophischen Stellen Sulfat abbauen. Diffundierung gelösten Phosphats aus dem Sediment des SPW skaliert mit der ganzen Produktivität der oberen Wasser des SPW. Wir vermuten, dass der Abbau und die Freisetzung von P durch Sedimentierung mariner Überreste innerhalb des oligotrophen SPW die gesamte Produktivität im Oberflächenwasser widerspiegelt. Dennoch werden diese Diffusionsraten vom Eintrag des ungelösten P in das SPW-Sediment in den Schatten gestellt. P-Gesamtinhalte der höchst oligotrophen Sedimente sind überraschend hoch und meistens mit Eisenphasen verbunden. Wir vermuten, dass hydrothermale Eisen-Tiefsee-Spalten, die sich über große Distanzen des SPW-Inneren erstrecken, für Ausspülen und Entfernen zusätzlicher Mengen an P für den Eintrag in das SPW-Sediment verantwortlich sind. Somit könnten die oligotrophen Wirbelsedimente kleinere aber bedeutungsvolle Senken für P im globalen P-Aufkommen sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
(2013) Cyclic 100-ka (glacial-interglacial) migration of subseafloor redox zonation on the Peruvian shelf. Proc. Nat. Acad. Sci.
Contreras S., P. Meister, B. Liu, X. Prieto-Mollar, K.-U. Hinrich, A. Khalili, T.G. Ferdelman, M.M.M. Kuypers, B.B. Jørgensen
-
(2014) Microbial cells and aerobic respiration from seafloor to basement in the South Pacific Gyre. American Geophysical Union, Fall Meeting 2014, abstract #B21L-08.
D'Hondt, S., F. Inagaki, C. Alvarez Zarikian, L.J. Abrams, N. Dubois, T. Engelhardt, H. Evans, T. Ferdelman, B. Gribsholt, R.N. Harris, B.W. Hoppie, J.-H. Hyun, J. Kallmeyer, J. Kim, J.E. Lynch, S. Mitsunobu, Y. Morono, R.W. Murray, R. Pockalny, J. Sauvage, T. Shimono, F. Shiraishi, D.C. Smith, C.E. Smith-Duque, A.J. Spivack, B.O. Steinsbu, Y. Suzuki, M. Szpak, L. Toffin, G. Uramoto, Y.T. Yamaguchi, G. Zhang, X.H. Zhang, W. Ziebis
-
2014. Biogeochemical consequences of the sedimentary subseafloor biosphere. Ch. 2.7 in Developments in Marine Geology, Vol. 7, Earth and Life Processes Discovered from Subseafloor Environments, Stein R, Blackman D, Inagaki F and H-C Larsen (eds). Elsevier, p. 217-252
Wehrmann L.M. and T.G. Ferdelman
