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Leichter oder schwerer Sauerstoff?

Dr. Alexander Frank und eine Kollegin entnehmen eine Wasserprobe.
Wöchentlich hat Dr. Alexander Frank rund 72 Wasserproben genommen, um zu untersuchen, wie groß die Photosyntheseleistung des Sees ist. (Bild: IGB/Martina Bauchrowitz)

FAU-Forschungsteam untersucht, wie viel Sauerstoff ein See wirklich produziert

Um einen See umfassend charakterisieren zu können, gilt es, auch die Stoffflüsse nachzuvollziehen. Dr. Alexander Frank von der Arbeitsgruppe Angewandte Geologie des GeoZentrums Nordbayern der FAU interessiert sich insbesondere für die Sauerstoffflüsse: Wie viel Sauerstoff setzen die aquatischen Algen bei der Photosynthese frei und wie viel veratmen sie und andere Gewässerorganismen gleich wieder? Da beide Prozesse die Isotopen-Zusammensetzung des im Wasser gelösten Sauerstoffs auf unterschiedliche Weise beeinflussen, nutzt der Mikrobiologe eine Methode, mit der die Isotopensignatur analysiert werden kann. Die Ergebnisse können helfen die Umsetzungsraten des gelösten Sauerstoffs besser zu verstehen.

Algen stehen am Anfang der Nahrungskette und werden in der Wissenschaft als sogenannte Primärproduzenten bezeichnet. Mittels Photosynthese bauen sie aus Kohlendioxyd und Wasser organische Substanz – sprich Biomasse – auf, wobei Sauerstoff frei wird. Dieser wird von den Gewässerorganismen zum Teil gleich wieder veratmet – dies nicht nur von Mikroorganismen und zu einem geringeren Anteil von Tieren, sondern auch von den Primärproduzenten selbst, was eine Absenkung der Netto-Photosyntheseleistung zur Folge hat.

Um die effektive Photosyntheseleistung der Algen in einem See ermitteln zu können, muss deshalb die Respiration von der Photosynthese unterschieden werden. FAU-Wissenschaftler Dr. Alexander Frank macht sich dafür eine Methode zunutze, die in der Meeresforschung bereits breit angewendet wird. Um sie zu testen, hat er wöchentlich Wasserproben im Seelabor des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) genommen, in denen er anschließend die Sauerstoffisotopenzusammensetzung des gelösten Sauerstoffs bestimmte. Damit ist es möglich, die Photosyntheseleistung in den einzelnen Versuchszylindern abzuschätzen, die sich aufgrund der versuchsbedingt variierenden Algendichten unterscheiden.

Dr. Alexander Frank im Labor.

Die frisch genommenen Wasserproben werden sofort im Labor aufgearbeitet. (Bild: IGB/Martina Bauchrowitz)

Die Technik beruht darauf, dass viele chemische Elemente als stabile, nicht-radioaktive Isotope mit unterschiedlichem Atomgewicht vorkommen. Beim Sauerstoff (O) handelt es sich um das leichtere 16O-Isotop und die schwereren 17O- und 18O-Isotope. In der Atmosphäre liegen sie in einem konstanten Isotopenverhältnis vor: 99,76 Prozent 16O, 0,037 Prozent 17O und 0,20 Prozent 18O. Weil der bei der Photosynthese als Abfallprodukt entstehende Sauerstoff photolytisch aus dem Umgebungswasser (H2O) abgespalten wird, enthält er weniger 18O-Isotope, ist also isotopisch leichter als der in der Atmosphäre befindliche Sauerstoff. Dadurch lässt sich der Anteil des bei der Photosynthese entstandenen Sauerstoffs von dem Sauerstoff unterscheiden, der sich aus der Atmosphäre im Wasser gelöst hat. Im Gegensatz dazu führen die Sauerstoff-verbrauchenden Prozesse zu einer Anreicherung der beiden schwereren Sauerstoffisotope im Wasser, weil bei diesem Vorgang bevorzugt die leichteren 16O-Isotope genutzt werden. Die so veränderte Sauerstoffisotopensignatur kann mittels Massenspektrometrie bestimmt werden. Sie gibt Auskunft über die effektive Photosyntheseleistung des Sees. Mit seinen Erkenntnissen hoffen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Photosynthese und Respiration in Gewässern besser quantifizieren zu können.

Über das Seelabor

Das Seelabor ist eine große Versuchsanlage des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) im brandenburgischen Stechlinsee. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen hier die Auswirkungen des Klimawandels auf Seen. Im Seelabor sind 24 Seebecken von jeweils 9 Metern Durchmesser und etwa 20 Metern Tiefe vom übrigen See abgetrennt. Darin werden Klimaszenarien der Zukunft simuliert und ihre Effekte auf den See erforscht. Wird sich die Artenvielfalt im Zuge des Klimawandels verändern? Kommt es zu einer Anreicherung von Nährstoffen? Werden vermehrt Treibhausgase freigesetzt? – Das sind nur einige der vielen Fragen, die das IGB mithilfe des Seelabors beantworten will.

Weitere Informationen

Dr. Alexander Frank
Tel.: +49 9131 85-22514
alexander.h.frank@fau.de

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