Wissenschaftler entdecken: Saharastaub umso effektiver für das Leben ist, je weiter er sich in der Atmosphäre bewegt

Eine wissenschaftliche Studie zeigt, dass an Saharastaub gebundenes Eisen, das über den Atlantik nach Westen weht, Eigenschaften hat, die sich mit der zurückgelegten Entfernung verändern und von bestimmten Meeres- und Landlebewesen genutzt werden. Es handelt sich um das sogenannte bioreaktive Eisen.

Eisen ist ein für das Leben unentbehrlicher Mikronährstoff, der Prozesse wie die Atmung, die Photosynthese und die DNA-Synthese ermöglicht. Die Verfügbarkeit von Eisen ist in den heutigen Ozeanen in der Regel eine begrenzte Ressource, was bedeutet, dass eine Erhöhung des Eisenflusses in die Ozeane die Menge des vom Phytoplankton gebundenen Kohlenstoffs erhöhen kann, was Auswirkungen auf das globale Klima hat.

Das Eisen des Saharastaubs ändert seine Eigenschaften mit der Entfernung und ist effektiver für das Leben

Eisen gelangt über Flüsse, schmelzende Gletscher, hydrothermale Aktivitäten und vor allem über den Wind in die Ozeane und terrestrischen Ökosysteme . Aber nicht alle ihre chemischen Formen sind"bioreaktiv", d. h. sie stehen Organismen zur Aufnahme aus ihrer Umgebung zur Verfügung.

"Hier zeigen wir, dass an Saharastaub gebundenes Eisen, das über den Atlantik nach Westen geweht wird, Eigenschaften hat, die sich mit der zurückgelegten Entfernung ändern: je größer die Entfernung, desto bioreaktiver das Eisen", sagte Dr. Jeremy Owens, außerordentlicher Professor an der Florida State University und Mitautor einer neuen Studie in Frontiers in Marine Science.

"Diese Beziehung deutet darauf hin, dass chemische Prozesse in der Atmosphäre das weniger bioreaktive Eisen in besser zugängliche Formen umwandeln".

Owens und seine Kollegen maßen die Mengen an bioreaktivem und Gesamteisen in Bohrkernen am Boden des Atlantiks, die im Rahmen des International Ocean Discovery Program (IODP ) und seiner Vorgängerversionen gesammelt wurden. Das IODP zielt darauf ab, unser Verständnis des Klimawandels und der Meeresbedingungen, der geologischen Prozesse und des Ursprungs des Lebens zu verbessern.

Die Forscher wählten vier Kerne aufgrund ihrer Entfernung zum sogenannten Sahara-Sahel-Staubkorridor aus, der sich von Mauretanien bis zum Tschad erstreckt und als wichtige Quelle von staubgebundenem Eisen für die windzugewandten Gebiete bekannt ist.

Die beiden diesem Korridor am nächsten liegenden Kerne wurden etwa 200 und 500 km westlich von Nordwest-Mauretanien gesammelt, ein dritter im mittleren Atlantik und der vierte etwa 500 km östlich von Florida. Die Autoren untersuchten die 60 bis 200 oberen Meter dieser Kerne, die die Ablagerungen der letzten 120.000 Jahre widerspiegeln , also die Zeit, die seit der letzten Zwischeneiszeit verstrichen ist.

Sie maßen die Gesamtkonzentrationen von Eisen entlang dieser Kerne sowie die Konzentrationen von Eisenisotopen mit einem Plasma-Massenspektrometer. Diese Isotopendaten stimmten mit denen des Saharastaubs überein.

Mit Hilfe einer Reihe chemischer Reaktionen konnten sie dann die in den Sedimenten insgesamt vorhandenen Eisenanteile in Form von Eisencarbonat, Goethit, Hämatit, Magnetit und Pyrit ermitteln. Das in diesen Mineralien enthaltene Eisen ist zwar nicht bioreaktiv, wurde aber wahrscheinlich durch geochemische Prozesse am Meeresboden aus bioreaktiveren Formen gebildet.

"Anstatt sich auf den Gesamteisengehalt zu konzentrieren, wie dies in früheren Studien der Fall war, messen wir das Eisen, das sich im Meer leicht auflösen kann und auf das Meeresorganismen für ihre Stoffwechselwege zugreifen können", so Owens.

"Nur ein Teil des in den Sedimenten vorhandenen Gesamteisens ist bioverfügbar, aber dieser Teil könnte sich während des Transports des Eisens von seiner ursprünglichen Quelle verändern. Unser Ziel war es, diese Zusammenhänge zu erforschen."

Im Wind wehen

Die Ergebnisse zeigten, dass der Anteil an bioreaktivem Eisen in den westlichsten Kernen geringer war als in den östlichsten. Dies bedeutete, dass ein entsprechend größerer Anteil des bioreaktiven Eisens aus dem Staub verloren gegangen war und vermutlich von Organismen in der Wassersäule genutzt wurde, so dass es nie die Sedimente des Bodens erreicht hatte.

Verallgemeinertes Schema des biogeochemischen Kreislaufs von Eisen, Fe. Die Hauptquelle für Fe im offenen Ozean ist der von der Atmosphäre eingetragene Staub. Fe T: gesamt, Fe HR: hochreaktives Fe (zumindest teilweise bioverfügbares Fe zum Zeitpunkt der Ablagerung), und Fe Sol: Sol Fe (bioverfügbares Fe, das leicht für die Primärproduktivität genutzt werden kann). (A) Die Quelle des Staubs ist die Sahara-Wüste. (B) Die Winderosion von Böden, die Fe-Oxide und -Silikate enthalten, führt zum Transport von Staub ins Meer. Grobe Partikel sinken schnell, während kleinere Partikel weiter in die Atmosphäre aufsteigen und länger auf der Meeresoberfläche verbleiben. (C) Die Verarbeitung in der Atmosphäre kann die Löslichkeit und Bioverfügbarkeit von Fe erhöhen. (D) Im Ozean wird das gelöste Fe durch Auflösung aus dem System entfernt und vom Phytoplankton aufgenommen. Gelöstes Fe bleibt in oxischem Meerwasser nicht in Lösung, da die Oxidation zu Fe (III) schnell erfolgt und das Meerwasser nahezu gesättigt ist mit Eisenoxiden (Oxyhydr). (E) Die Sedimente der proximalen Standorte weisen aufgrund der Auflösung von Karbonat relativ niedrige Werte von Fe T und relativ hohe Werte von Fe Sol und Fe HR/Fe T auf. (F) Die Sedimente der distalen Standorte zeigen eine Abnahme von Sol Fe aufgrund ihrer Auflösung und Entfernung durch Primärproduzenten an der Meeresoberfläche, was zu niedrigen Werten von Sol Fe und HR/Fe T Fe in den darunter liegenden Sedimenten führt. Quelle: Bridget Kenlee et al, Frontiers in Marine Science (2024)

"Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich während des atmosphärischen Ferntransports die mineralischen Eigenschaften des pulvergebundenen Eisens, das ursprünglich nicht bioreaktiv war, verändern und es bioreaktiver machen. Dieses Eisen wird dann vom Phytoplankton aufgenommen, bevor es den Meeresboden erreichen kann," so Dr. Timothy Lyons, Professor an der University of California in Riverside und Endautor der Studie.

„Wir kommen zu dem Schluss, dass Staub, der Regionen wie das Amazonasbecken und die Bahamas erreicht, besonders lösliches und für das Leben verfügbares Eisen enthalten könnte, was auf die große Entfernung von Nordafrika und die damit verbundene größere Exposition gegenüber atmosphärischen chemischen Prozessen zurückzuführen ist“, so Lyons.

"Das transportierte Eisen scheint biologische Prozesse in der gleichen Weise zu stimulieren, wie die Eisendüngung das Leben in den Ozeanen und Kontinenten beeinflussen kann. Diese Studie ist ein Proof-of-Concept, der bestätigt, dass eisengebundener Staub einen großen Einfluss auf das Leben in großer Entfernung von seiner Quelle haben kann."

Quellenhinweis:

Bridget Kenlee et al, Long-range transport of dust enhances oceanic iron bioavailability, Frontiers in Marine Science (2024). DOI: 10.3389/fmars.2024.1428621