Zürich – Selbst im extrem abgelegenen Südpazifischen Ozean übersteigt Zink aus menschgemachten Emissionen mittlerweile dasjenige aus natürlichen Quellen. Das vom Menschen emittierte Zink wird durch Aerosole über riesige Distanzen verfrachtet und erreicht dadurch offene Meeresgebiete, die weit weg von der Zivilisation liegen. Die steigende Zink-Konzentration im Meerwasser könnte das sensible Gleichgewicht von Plankton-Gemeinschaften und das Nahrungsnetz des Meeres stören.
Der riesige menschenleere Südpazifik gilt als unberührte Natur. Doch so unberührt, wie wir gern glauben, ist dieser Ozean nicht. Das zeigt eine neue Studie einer Gruppe von Forschenden der ETH Zürich und des Geomar Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung in Kiel.
Die Forschenden weisen nämlich nach, dass Zink, das beim Verbrennen von fossilen Brennstoffen und durch Industrieabgase freigesetzt wird, die entlegensten Winkel des Meeres erreicht hat. Das Zink aus menschlichen Quellen ist in diesen Gewässern mittlerweile viel häufiger als das aus natürlichen Quellen.
«Es gibt keine unberührte Natur mehr, nicht mal mehr im Südpazifik, der so weit entfernt von der nächsten Zivilisation ist wie die Astronauten der Internationalen Raumstation», sagt Tal Ben Altabet, der Erstautor der Studie, die soeben in der Fachzeitschrift Nature Communications Earth and Environment erschienen ist. Ben Altabet ist Postdoc in der Gruppe von Derek Vance, Professor für Geochemie an der ETH Zürich.
Zink und andere Metalle gelangen bei der Verbrennung von Öl und Kohle sowie bei der Metallverhüttung in die Atmosphäre. Dabei heften sich die ausgestossenen Metalle an winzige Aerosole in der Luft. Die Partikel können Tausende von Kilometern zurücklegen, ehe sie sich auf der Oberfläche des offenen Ozeans absetzen. Auf diesem Weg können atmosphärische Aerosole Metalle aus Industriegebieten bis in die entlegensten Meere transportieren.
Plankton braucht Zink
Zink und andere Spurenelemente wie Eisen und Kupfer sind für das Leben im Meer essenziell. Insbesondere brauchen mikroskopisch kleine Algen, das Phytoplankton, Zink bei der Photosynthese. Durch diesen Prozess nimmt das Phytoplankton Kohlendioxid auf und produziert daraus organische Substanzen und Sauerstoff. Somit spielen die winzigen grünen Algen eine zentrale Rolle bei der Regulierung des Erdklimas.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler:innen begonnen, nicht nur die Konzentrationen der Spurenmetalle im Meerwasser zu messen, sondern auch deren Isotopenzusammensetzung.
Isotope sind Varianten eines Elements, die unterschiedlich schwer sind. Ihr Verhältnis bildet einen chemischen Fingerabdruck. Die Isotopen-Fingerabdrücke helfen, Metallquellen zu identifizieren und den Prozess, den sie im Meer durchlaufen, nachzuverfolgen. Meerwasser ist natürlicherweise relativ stark mit schwereren Isotopen wie Zink-66 angereichert, während Emissionen aus menschlichen Quellen typischerweise reich an leichteren Isotopen wie Zink-64 sind.
In den letzten zehn Jahren haben sich Meeresgeochemiker:innen intensiv mit einem ungewöhnlichen Isotopen-Fingerabdruck in der oberen Meeresschicht befasst. Einige Forschende schrieben diese Anomalien natürlichen Prozessen im Ozean zu, wie beispielsweise die Anlagerung von Zink an Partikel im Meerwasser. Vor kurzem vermuteten andere, dass die Anomalien den Eintrag von Zink aus menschlichen Quellen durch Aerosole widerspiegeln.
Aerosole transportieren Zink zum Südpazifik
Um diese Fragen zu klären, untersuchten die ETH-Forschenden um Ben Altabet eine der abgelegensten Meeresregionen der Erde, den Südpazifik. Würde man die Signatur von Zink aus menschlichen Emissionen feststellen, würde dies verdeutlichen, wie weit die Umweltverschmutzung durch den Menschen fortgeschritten ist.
Das Team verfolgte dabei einen neuartigen Ansatz: Anstatt nur das im Meerwasser gelöste Zink zu analysieren, untersuchten sie auch die Isotopenzusammensetzung von Zink in Meerespartikeln sowie in atmosphärischen Aerosolen. Um menschliche Quellen besser zu identifizieren, massen die Forschenden zusätzlich die Isotopenzusammensetzung von Blei – einem etablierten Indikator für Umweltverschmutzung.
Fast nur Zink aus menschlichen Quellen nachweisbar
Die Ergebnisse der Studie waren eindeutig: Die Forschenden fanden in den oberen Wasserschichten des Südpazifiks, dass Zink aus menschlichen Emissionen stammt und mittels Aerosolen hierhergelangt. Spuren von Zink aus natürlichen Quellen waren hingegen fast nicht nachweisbar.
«Praktisch das gesamte Zink in den Partikeln aus den Oberflächengewässern des Südpazifik ist unnatürlich. Diese Ergebnisse zeigen, dass selbst Elemente, die bisher als nicht stark von menschlichen Aktivitäten beeinflusst galten, mittlerweile von industrieller Verschmutzung dominiert werden, die die abgelegensten Teile des offenen Ozeans erreicht hat», sagt Ben Altabet
Kreislauf aus der Balance?
Natürlicherweise ist die oberste Meeresschicht eher arm an Zink und anderen Spurenmetallen, da diese durch das Phytoplankton aufgezehrt werden. Damit das Phytoplankton gedeihen kann, müssen diese Mikronährstoffe im passenden Verhältnis im Meerwasser vorhanden sein.
Die Forschenden rechnen damit, dass die stetige Zunahme von menschgemachten Metall-Emissionen das sensible Nährstoffgleichgewicht stören könnte. Wie das Phytoplankton darauf reagieren wird, ist jedoch schwierig vorherzusagen. Werden zusätzliche Metalle wie Zink, Eisen, Kupfer und Cadmium – alle zeigen Anzeichen einer Anreicherung im Meerwasser aufgrund menschlicher Aktivitäten – in die Meere eingetragen, könnte sich die Verfügbarkeit der Nährstoffe verändern, was sich auf die gesamte Meeresnahrungskette auswirken könnte.
Andere Meere auf Zink-Isotope untersuchen
Mit weiteren Studien wollen die Forschenden nun herausfinden, wie die Isotopen-Zusammensetzung von Zink und weiteren biologisch essenziellen Metallen wie Eisen und Kupfer in marinen Partikeln aus anderen Meeren ist.
«Nur wenn wir verschiedene Meeressysteme untersucht haben, werden wir verstehen, wie sich Spurenmetalle über den gesamten Ozean betrachtet verhalten und wie Meeresorganismen auf Verschiebungen des Nährstoffgleichgewichts reagieren», erklärt Ben Altabet. (ETH/mc/pg)