Strontiumisotopenanalyse in der Ostsee. Das Mischverhältnis zwischen Salz- und Süßwasser als geografischer Indikator für den potenziellen Aufenthalt von Neozoen in der Ostsee?

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Methodik der Probenentnahme und-analyse
2.1 Probenentnahme
2.2 Sr-Rb-System in der Geohydrologie
2.3 Messung

3 Beschaffenheit der Ostsee
3.1 Geografisch
3.1.1 Wasserzuflüsse
3.2 Biologisch
3.2.1 Cerastodermaedule
3.3 Neozoen und invasive Arten in der Ostsee

4 Auswertung der Ergebnisse
4.1 Statistische Datenanalyse
4.2 Wasserproben
4.3 Proben der cerastoderma edule

5 Fazit

6 Danksagung

7 Literaturverzeichnis

8 Abbildungsverzeichnis

9 Anhang

1 Einleitung

Die Ostsee: ein komplexes Ökosystem, welches sich stetig im Wandel befindet. Sie stellt das größte Brackwassermeer der Welt dar. Durch die relativ kleine Anzahl an einheimischen Arten wächst ihre Empfindlichkeit gegenüber ökologischen Veränderungen durch Neobiota¹. In der Arbeit „Die Bedeutung eingeschleppter Arten (alien species) für die Europäische Wasserrahmenrichtlinie am Beispiel der Ostsee" (Schories, et al., 2006) werden mehr als 110 ursprünglich einheimische Arten aufgeführt, welche sich in den letzten 100 Jahren in der Ostsee etabliert haben. Unter Verwendung einer universell ersetzbaren Analysemethode wie der Strontiumisotopie ist es möglich, Datensätze zu generieren, die über eine große Bandbreite von Zusammenhängen eines Ökosystems Aufschluss geben. So ist es Ziel dieser Arbeit, durch gezielte Probenentnahmen von Wasser und der Gemeinen Herzmuschel Cerastoderma edule die Zusammensetzung des Wassers der Ostsee genauer zu bestimmen. Aus der Zusammensetzung des Wassers und dem Faktor der geografischen Gegebenheiten soll nun die Fähigkeit dieser Werte als Indikator für die Verbreitung und den Aufenthalt neobiotischer Arten geprüft werden. Die Probenentnahmen für diese Arbeit fanden im Rahmen einer einwöchigen Expedition im Mai 2019 mit dem Traditionssegler „Jonas von Friedrichstadt" durch die dänische Südsee statt. Die Proben wurden anschließend massenspektrometrisch im GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel untersucht. Genauere Angaben hierzu werden im Kapitel 2 Methodik der Probenentnahme und -analyse gemacht. Und so gilt es zu untersuchen, ob sich das Mischverhältnis zwischen Salz- und Süßwasser durch Strontiumisotopie bestimmen lässt und ob dieses als geographischer Indikator für den potenziellen Aufenthalt von Neozoen in der Ostsee geeignet ist.

2 Methodik der Probenentnahme und-analyse

2.1 Probenentnahme

Die Proben wurden an Bord des Schiffes und in Häfen bei einem Meter Tiefe unter der Verwendung eines sterilen Wasserschöpfers genommen. Jede Probe wurde mit Hilfe eines Gefäßes aus Polypropylen (PP) dem Wasser entnommen. Das entnommene Wasser wurde durch ein Sieb aus Kunststoff in eine verschließbare Weithalsflasche aus Polyethylen gefüllt. Der Probe mit einem Volumen von 55ml wurden 1,8ml konzentrierte Salpetersäure zugeführt, um einen pH-Wert von kleiner als 2 (DIN 38402) zu erreichen und so eine Konservierung bis zur stationären Analyse gewährleisten zu können. Am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel wurden die Proben mit einem „Thermo Scientific Neptune Plus Multikollektor-ICP-MS" Massenspektrometer analysiert, welches speziell für die Anwendung an Isotopensystemen entwickelt wurde. Die Analysemethode basiert auf dem Rubidium-Strontium-Isotopensystem. „Grundlage dieses Isotopensystems ist der Zerfall von 87Rb in 87Sr unter Aussendung eines ß-Teilchens." (Stosch, 1999)

2.2 Sr-Rb-System in der Geohydrologie

Das Strontium-Rubidium-System wird in dieser Arbeit als natürlicher geohydrologischer Tracer² verwendet. Die 87Sr / 86Sr-Verhältnisse variieren aufgrund des langfristigen Zerfalls von 87Rb zu 87Sr. Der 87Rb-Zerfall hat eine Halbwertzeit von tt/2 = 4,9 xlO10 Jahren. Strontium verweilt etwa 5xl06 Jahre in den Ozeanen, während die Vermischungsrate von Ozeanen deutlich kleiner ist (« 103 Jahre). Anhand des Rubidium-Verfalls und den daraus resultierenden Strontiumisotopen, lässt sich unter Anwendung der modifizierten Zerfallsgleichung (Abbildung 2-2) das Alter der Probe datieren (Siehe Abbildung 2-1). Aufgrund dessen wird der Fluss von

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Abbildung 2-1: Das87 Sr/86 Sr-Verhdttnis in Abhangigkeit des numerischen Erdalters in Mh. Jahren. (Oaten smd an den modernen Seewasserslandord angeposst) © J.M. McArthur

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Abbildung 2-2: Die Gleichung bescbreibt die Abhangigkeil der S7Sr / B6Sr-Konzentration von der zerfallenen Rubidium Menge and der Zeit

Strontium verschiedener Quellen in das Ozeanwasser integriert und es entsteht eine einheitliche Sr-Konzentration (CSr as 7.7 ppm³ ). Das 87Sr / MSr-Verhaltnis im Ozeanwasser ist durchweg identisch (87Sr / 86Sr = 0.70915).In Bezug auf Binnenmeere beeinflusst ein zusalzlicher Faktor die Isotopenverhaltnisse. Die Sufcwasserzufuhr durch FlieBgewasser und Niederschlage weist ein abweichendes 87Sr / a65r-Verhaltnis und eine deutlich geringere Strontium-Konzentration auf. In den groBen und bedeutenden Fliissen auf der Erde betragt diese zwischen 0.06 und 0.08 ppm. Die Vermischung der verschiedenen Wassertypen findet hauptsachlich in Flussmiindungen statt, in denen sich Meerwasser und durch Flusse induziertes Siiflwasser mischen.

2.3 Messung

Die Proben wurden mit dem ICPMS-Verfahren (Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) qualitativ und quantitativ analysiert. Die gemessenen B,Sr-Werte wurden auf die bei der Messung entstandene B7Rubidium-lnterferenz korrigiert. Um trotz der proben-individuellen Isotopenfraktionierungsrate eine standarisierte Vergleichbarkeit der 875r / a6Sr-Verhaltnisse zu schaffen, wurden sie nach dem Messvorgang anhand des J.M. Mc Arthur-Verfahrens (McArthur, 2005) korrigiert.

3 BeschaffenheitderOstsee

3.1 Geografisch

Die Ostsee ist ein Binnenmeer im Nordosten Europas. Mit ihren zwei Hauptgolfen, dem Golf von Finnland und dem Bottnischen Meerbusen, besitzt sie eine Oberfläche von 412.500km2 bei einem Volumen von ca. 21.630 km2(Hillmann, 2004) und stellt das bedeutendste Mündungsgewässer in Nordeuropa da, sowie das größte Brackwassermeer der

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Abbildung 3-1: Halokline in der Ostsee (Grelowska, et al., 2018)

Welt. Die Wasseraustauschzeit in der Ostsee beträgt 35 Jahre. Die Verteilung der Salinität wird hierbei durch die Verbindung zum Nordsee- bzw. Ozeanwasser⁴ und der Süßwasserzufuhr (473 km3/a)⁵ bestimmt. Das durch Süßwasserzuflüsse gespeiste Brackwasser wird durch eine Halokline von dem salzreichen Wasser in den unteren Wasserschichten getrennt. Die Tiefe der Halokline variiert je nach Breitengrad zwischen 20m in der südlichen und bis zu 80m in der nördlichen Ostsee. Die Salinität nimmt mit der räumlichen Nähe zur Nordsee zu. So liegt der Salzgehalt in der Newa-Bucht vor St. Petersburg bei <5 PSU und steigt über 15 PSU in der Kieler Bucht auf bis zu 35 PSU im Skagerrak an.

3.1.1 Wasserzuflüsse

Mit einem mittlerem Abfluss von 2500 m3/s stellt die Newa (rus. Нева) die größte Frischwassereinspeisung in die Ostsee dar. Der 74 km lange Fluss befördert das Wasser aus dem Ladogasee nahe der Grenze zu Finnland durch Sankt Petersburg in den Finnischen Meerbusen. Die Newa weist ein mittleres 87Sr/86SrVerhältnis von 0.714⁶ auf. Nach einer absteigenden Sortierung der Zuflüsse folgt die Weichsel mit einem mittleren Abfluss von 1080 m3/s. Sie entspringt im Süden Polens und zieht sich mit einer Länge von 1047 km Richtung Norden bis hin zur Mündung in die Danziger Bucht im Süd-Osten der Ostsee. Es liegt ein 87Sr/86Sr-Verhältnis von 0.70952 4 vor. Des Weiteren fließen 678 m3/s Wasser durch die Düna in die Ostsee. Der Fluss entspringt in Russland mit einem 87Sr/86Sr- Verhältnis von 0.709, fließt durch Weißrussland und Lettland, bis er in den Golf von Riga mündet. Der gesamte Süßwasserzustrom durch beträgt 440 km3/ Jahr (Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde, 2014), welcher einen enormen Wasserüberschuss in der Ostsee zur Folge hat, der nur über die Sunde zwischen der Ostsee und dem Kattegat abfließen kann. Die Vermischung des Wassers findet im Großen Belt und dem weiter östlich gelegenem Öresund statt. Aufgrund der sich unterscheidenden Temperaturen der Gewässer und den Dichte-Unterschieden entsteht ein Druckgefälle, welches das Brackwasser mit geringerer Dichte an der Oberfläche abfließen lässt und das salzige Wasser mit hoher Dichte in derTiefe in die Ostsee einfließen lässt.

3.2 Biologisch

Die Ostsee ist ein Brackwasserbinnenmeer, welches durch knapp 200 Zuflüsse mit Süßwasser gespeist wird. Gleichzeitig wird die Ostsee durch die Nordsee mit Sauerstoff- und salzreichem Wasser versorgt. Dieser Prozess hat stetig variierende chemische Parameter zur Folge, welche eine Prognose der Versorgung von nährstoffreichem Nordseewasser unmöglich machen.

„Brackwasser ist, bedingt durch die ständig wechselnden Lebensbedingungen, artenärmer als reines Süß- oder Meereswasser des gleichen Lebensraumes. Denn es setzt eine große Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Salzkonzentrationen, Sauerstoff- und Nährstoffgehalte bei den in ihm lebenden Lebewesen voraus." (Gerde, et al., 2004). Da sich die Dichten von Salz- und Süßwasser bei gleicher Temperatur unterscheiden, entsteht eine Halokline, die den vertikalen Sauerstofftransport verhindert. Durch die saisonal variierenden

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3-2: Artenanzahlen in Abhängigkeit von der Salinität (Arndt, 1996)

Lebensbedingungen stellt die Ostsee extrem hohe Ansprüche an die Lebewesen im Ökosystem. Die Artendiversität in Brackwassersystemen ist deutlich geringer als im Süßwasser. Durch instabile Umweltbedingungen erfordert das Leben in der Ostsee eine hohe Toleranz des resultierenden osmotischen Stresses sowie eine große ökologische Potenz, um die Anpassung an die variablen abiotischen Faktoren vollziehen zu können. Im Wesentlichen wird die Verbreitung der Flora und Fauna durch die horizontale Verteilung (Westen-Osten) des Salzgehaltes kontrolliert. Das Artenminimum liegt in der Ostsee bei einem Salzgehalt von 5-8 PSU, dem sogenannten Horohalinikum. Das Hauptbecken der Ostsee erstreckt sich von Finnland bis Rügen und liegt innerhalb des Horohalinikums. Dieser Umstand erklärt die geringe Artendiversität. Während sich die Artenanzahl im Skagerrak auf rund 2000 marine Arten beläuft, so sind es in der Bornholmsee (500km südöstlich des Skagerrak) nur rund 150 verschiedene Arten. Wie bereits angeführt, kann aufgrund der thermohalinen Dichteschichtung der Ostsee kein Sauerstoff in der Wassersäule und zum Benthal transportiert werden. Diese Beschränkung macht das Biotop nahe dem Boden der Ostsee annährend lebensfeindlich. Zusätzlich zu der abiotisch verursachten Sauerstoffarmut im Benthal, wird diese durch einen weiteren Faktor verstärkt: ein großerTeil der in den höheren Wasserschichten produzierten Phytomasse sinkt aufgrund des fehlenden Konsums durch Organismen aufden Meeresboden ab. Dort wird die Phytomasse unterSauerstoffverbrauch von Bakterien mineralisiert und daraus resultierend verstärkt sich die Sauerstoffarmut des Ostseebenthals.

Die Stagnation kann nur durch Frischwasser aus der Nordsee aufgebrochen werden, ein Salzeinbruch ist daher enorm wichtig für den Erhalt der Fauna. Da Salzwasserintrusionen aufgrund von geringem Transportvolume und flachen Schwellen nur selten durch die gewöhnlichen Salzwassereinströme verursacht werden, sind regelmäßige Salzwassereinbrüche essentiell wichtig für das Ökosystem „Ostsee". So kommt es „vor allem im Herbst und Winter bei anhaltenden Weststürmen zu Salzwassereinbrüchen in das Tiefenwasser der Ostsee" (Kraatz, et al., 2004). Die ökologischen Folgen eines solchen Einbruches lassen sich in Form eines Kreislaufes beschreiben: Durch einen Salzwassereinbruch wird die Stagnationsperiode beendet und die abiotischen und biotischen Bedingungen verbessern sich. Durch diesen Umstand bedingt, nimmt die Bodenfauna bis zur völligen Wiederbesiedlung zu. Zusätzlich werden neue Organismen (Neobiota), überwiegend durch mitgeführte Larven, dem Benthal zugefügt. Aufgrund der hohen organischen Produktivität kommt es zu einem hohen Sauerstoffverbrauch, welcher die nächste Stagnationsperiode einleitet. Sobald eine Stagnationsperiode übermäßig lang ist (im Falle des Ausbleibens von einem Salzwassereinbruch), entstehen toxische Zustände im Benthal der Ostsee (H2S-Überschuss). Durch den anhaltenden Sauerstoffschwund entsteht ein enormer Anstieg des toxischen Schwefelwasserstoffs, der zu einer Verarmung der Benthalfauna und schließlich zum Absterben führt.

3.2.1 Cerastoderma edule

Das Sammeln von Proben der Gemeinen Herzmuschel (cerastoderma edule) zusätzlich zu denen des Wassers dient der Herkunftsbestimmung der Muscheln und dem nachvollziehen von Einschleppvektoren in der Ostsee. Grundlage hierfür ist der Mechanismus einer Herzmuschel, Strontium zusätzlich zu Calcium in die Muschelschale, dem Exoskelett zu verbauen. Das Exoskelett einer gemeinen Herzmuschel besteht aus dem Mineral Aragonit (Ca[C03]), welches ein Calciumcarbonat ist. Strontium wird ähnlich wie Calcium absorbiert und in das Kristallgitter integriert. Primär geschieht dies an den Kristalloberflächen, kann aber auch wie Calcium im Inneren des Kristalls eingelagert werden (Meßler, 2005). So lässt sich bei einer kürzlichen vektorbedingten Änderung des Lebensraumes eines einzelnen Individuums ein signifikanter Unterschied des 87Sr/86Sr-Verhältnisses in der Muschelschale des Individuums feststellen- im Vergleich zu dem Wasser des kürzlich besiedelten Biotopes.

Der genannte Unterschied lässt sich allerdings nur bei älteren Herzmuscheln feststellen, da der Prozess des Integrierens von Strontium in das Kristallgitter kontinuierlich über einen langen Zeitraum stattfindet. „Cerastoderma edule may live for up to 9 years or more in some habitats but 2 -4 years is normal(Tyler-Walters, 2007)

Die c. edule hat ein großes Verbreitungsgebiet; es reicht von der Barentssee im nördlichen Atlantik bis Mauretanien. Außerdem kommt die Muschel im westlichen Teil der Ostsee vor. Durch ihre Anpassungsfähigkeit ist die c. edule einerseits in der Lage, bei einer niedrigen Sauerstoffkonzentration zu leben und andererseits, mehrere Tage in einem Milieu ohne Sauerstoff zu überleben. Die hohe Toleranz gegenüber osmotischem Stress, bedingt durch Schwankungen des Salzgehaltes, ermöglicht das Überleben in der Ostsee. Dennoch benötigt die c. edule einen Salzgehalt von mindestens 10 %o (10 PSU).

3.3 Neozoen und invasive Arten in der Ostsee

Neozoen bezeichnen die Animalia unter den Neobiota. Neobiota sind ursprünglich gebietsfremde Arten, welche sich unter humaner Einflussnahme in einem Gebiet etabliert haben. Teilweise wird der Begriff auch für Taxa verwendet, welche sich ohne humanen Einfluss ausgebreitet haben (Heger, 2004); dieser ist aber nicht allgemein anerkannt. Den Neozoen untergeordnet, befinden sich die invasiven Arten (alien species), welche hemochor sind und aufgrund ihres Ausbreitungspotenziales die Biodiversität eines Ökosystems gefährden. Eine neobiotische Art weist in den meisten Fällen folgende charakteristische Eigenschaften auf: sie besitzen eine Anpassungsfähigkeit an abiotische und biotische Faktoren und eine hohe Fortpflanzungsrate. Die Wahrscheinlichkeit, mit dem sich eine Population nach der Ausbreitung erfolgreich etabliert, wird durch Invasibilität des Gebietes und den propagule pressure, also der Anzahl in das Gebiet verschleppter Individuen, bestimmt. So etablieren sich Populationen von r-Strategen besonders schnell. Durch eine hohe phänotypische Plastizität kann der Etablierungsprozess zusätzlich schneller und großflächiger stattfinden. Invasive Arten bedrohen die Biodiversität ihres neuen Lebensraumes meist durch eine deutliche Veränderung der Biozönose und durch Konkurrenzdruck als Folge von Prädation.

Stand Juli 2014 existierten 46 Neozoen und kryptogene⁷ Animalia in den Gewässern der Ostsee, wie in dem Bericht „Neobiota deutschen Küstengewässern" des Alfred-Wegener- Institutes aufgeführt (Lackschewitz, et al., 2014).

[...]

¹ „Als Neobiota werden Organismen zusammengefasst, die in einem bestimmten Gebiet [...] nicht einheimisch sind und die erst nach 1492 unter direkter oder indirekter Mithilfe des Menschen in dieses Gebiet gelangt sind und dort wild leben oder gelebt haben." (Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus AT, 2018)

² „leicht nachweisbarer Stoff, der in [...] geringen Mengen in FliefSgewasser oder in Grundwasser eingebracht wird, um die FlieBwege und FlieBeigenschaften [...] zu ermitteln". {Liebscher, 2000)

³ Abk. für partspermillion eng. (Teile auf 1 Million ger.)

⁴ Die Vermischung findet in den Gebieten des Kattegats und des Skagerraks statt.

⁵ Wert entstammt (Andersson, et al., 1992)

⁶ Wert entstammt (Loefvendahl, et al., 1990)

⁷ Ursprüngliche Herkunft nicht bekannt.