Staudinger, C., Strobl, M., Fischer, J.P., Thar, R., Mayr, T., Aigner, D., Müller, B.J., Müller, B., Lehner, P., Mistlberger, G., Fritzsche, E., Ehgartner, J., Zach, P.W., Clarke, J., Geißler, F., Mutzberg, A., Müller, J.D., Achterberg, E.P., Borisov, S.M., Klimant, I. (2018). A versatile optode system for oxygen, carbon dioxide, and pH measurements in seawater 1 with integrated battery and logger. Limnol. Oceanogr. Methods, 16, 459-473, https://doi.org/10.1002/lom3.10260.

Geißler, F., Achterberg, E.P., Beaton, A.D., Hopwood, M.J., Clarke, J.S., Mutzberg, A., Mowlem, M.C. and Connelly, D.P. (2017). Evaluation of a Ferrozine Based Autonomous in Situ Lab-on-Chip Analyzer for Dissolved Iron Species in Coastal Waters. Front. Mar. Sci. 4:322. doi: 10.3389/fmars.2017.00322

Clarke, J.S., Achterberg, E.P., Rerolle, V.M.C., Kaed Bey, S.A., Floquet, C.F.A., Mowlem, M.C. (2015). Characterisation and deployment of an immobilised pH sensor spot towards surface ocean pH measurements. Analytica Chimica Acta, 897, 69-80.

Rerolle, V.M.C., Floquet, C.F.A., Mowlem, M, Bellerby, R.R.G.J., Connelly, D.P., Achterberg, E.P. (2012). Seawater pH measurements for ocean acidification observations. Trends in Analytical Chemistry, doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.trac.2012.07.016.

Legiret, F.E., Achterberg, E.P., Connelly, D.P., Woodward, E.M., Mowlem, M. (2013). High performance microfluidic analyser for phosphate monitoring in the marine environment. Talanta, 116, 382-387.

OCEANSensor

Development and Metrological Improvements of Marine Chemical Sensors

The aim of OCEANSensor is to develop a suite of in situ marine biogeochemical sensors for remote observations in coastal and oceanic waters by combining new sensor technologies with commercially available sensors. The package will comprise of sensors for pH, pCO₂ and O₂ (fluorescent optodes), nitrate (UV hyperspectral), phosphate and silicate (electrochemical), and phosphate (microfluidic technology). Improvement of measurement metrology is an important component of the project. Further, the partners are planning to develop a novel benthic flux quantification system to be deployed for example for carbon capture and storage CO2 leakage monitoring. In addition, sensors for water quality and biogeochemical observations on platforms including moorings, ARGO floats, surface roaming vehicles and an easily accessible cabled observatory will be demonstrated.

OCEANSensor runs from summer 2018 to end of 2021 and is funded by the MarTERA partners German Federal Ministry of Economic Affairs and Energy (BMWi), French National Research Agency (ANR) and Research Council of Norway (RCN) and co-funded by the European Union

Coordinator

Prof Eric Achterberg, GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research, Germany

Consortium

• GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research, Research Institute, Germany
• Trios Mess- und Datentechnik GmbH, SME, Germany
• LEGOS, Research institute, France
• NKE Instrumentation, SME, France
• Aanderaa Data Instrumentation AS, SME, Norway

Flohr, A., Schaap, A., Achterberg, Eric P.  ……. Connelly, D. (2021) Towards improved monitoring of offshore carbon storage: A real-world field experiment detecting a controlled sub-seafloor CO2 release. International Journal of Greenhouse Gas Control, 106, 103237.

Esposito, M., Martínez-Cabanas, M., Connelly, D.P., Jasinski, D., Linke, P., Schmidt, M., Achterberg, E.P. (2021). Water column baseline assessment for offshore Carbon Dioxide Capture and Storage (CCS) sites: analysis of field data from the Goldeneye storage complex area. International Journal of Greenhouse Gas Control (in press).

Martínez-Cabanas, M., Esposito, M., Gros, J., Linke, P., Schmidt, M., Triest, J. Achterberg, E.P. (2021). Deviations from environmental baseline: Detection of subsea CO2 release in the water column from real-time measurements at a potential offshore Carbon Dioxide Storage site. International Journal of Greenhouse Gas Control (in press).

Projects: STEMM CCS 

Nutrient co-limitation of phytoplankton productivity in the Equatorial Pacific

A BMBF funded project to assess potential co-limitation of phytoplankton growth by nitrogen and iron in the Equatorial Pacific. This is a collaborative project with Mak Saito in Woods Hole Oceanographic Institute (USA) investigating microbial nutrient stress proteins and Alessandro Tagliabue at the University of Liverpool (UK) linking field results to simulations of nutrient limitation in global ocean biogeochemical models.

Contact: Tom Browning

Drivers of nutrient limitation and carbon export in the SE Atlantic

A DFG funded project that will investigate the drivers of nutrient limitation regimes in the SE Atlantic. This project will target recently upwelled seawater near the African coast that then propagate offshore in filaments. We will investigate nutrient sources, sinks and cycling in filaments and the impacts and feedbacks of phytoplankton nutrient limitation.

Contact: Tom Browning

Drivers of North Atlantic productivity and its impact on higher tropic levels

In a project led by Dr. Ewan Wakefield at the University of Glasgow investigating the drivers of seabird distributions in the temperate North Atlantic, we investigated the distribution of nutrients and phytoplankton in this region and assessed nutrient limitations on phytoplankton growth.

Browning, T.J., Al‐Hashem, A.A., Hopwood, M.J., Engel, A., Wakefield, E.D. and Achterberg, E.P., 2019. Nutrient regulation of late spring phytoplankton blooms in the midlatitude North Atlantic. Limnology and Oceanography. 65, 1136–1148.

Hören Sie ein Audio-Interview über das Projekt mit Tom Browning und Ali Al-Hashem
Kontakt: Tom Browning

Chinesisch Westpazifik GEOTRACES
Im Jahr 2019 wurde die erste GEOTRACES-China-Abschnittsfahrt im westlichen subtropischen Pazifik erfolgreich durchgeführt. Dieses Projekt wurde von der Universität Xiamen geleitet, und wir nahmen an der Fahrt teil, um zur Untersuchung der Kontrolle des Phytoplanktonwachstums in dieser Region beizutragen. Siehe Fahrtinformationen und Berichte über die Forschungsreise.

Mikrobielle Stickstoffquellen und Zyklen im Meerwasser
Stickstoff ist häufig der Nährstoff, der die mikrobielle Aktivität im Ozean begrenzt, liegt jedoch in einer Reihe verschiedener chemischer Formen vor, die in unterschiedlichem Maße von verschiedenen Mikroben genutzt werden können. Jing Liu ist eine durch das chinesische CSC-Programm finanzierte Doktorandin, die vor kurzem unserer Gruppe beigetreten ist, nachdem sie ihre ersten beiden Jahre an der Universität Xiamen bei Prof. Minhan Dai absolviert hat. Jing wird im Rahmen unseres geplanten GEOTRACES-Kreuzfahrtprogramms die Raten der Stickstoffaufnahme und -umwandlung an (i) einem Küstenstandort in der Ostsee (Boknis Eck) und (ii) in einem offenen Ozeansystem im Pazifik untersuchen.

Nährstoffbeschränkung im SE-Atlantik
Im Rahmen der GEOTRACES-Kreuzfahrt im SE-Atlantik 2014/5 untersuchten wir die Auswirkungen veränderter Nährstoffregime auf den Zustand der Nährstofflimitierung des Phytoplanktons und deren Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Phytoplanktongemeinschaft. Wir fanden deutliche Gradienten in der Begrenzung des Phytoplanktons durch Stickstoff und Eisen, fanden aber überraschenderweise auch Ozeanbahnen, die durch beide Nährstoffe gemeinsam begrenzt waren, d.h. sowohl Stickstoff als auch Eisen mussten zugeführt werden, um zu einem verstärkten Phytoplanktonwachstum zu führen. Die Nährstoffbegrenzungen waren auf der Grundlage der gemessenen Nährstoffkonzentrationen im Meerwasser vorhersehbar. Wir stellten auch fest, dass die gemeinsam begrenzten Standorte vielfältigere Phytoplanktongemeinschaften aufweisen, und stellten die Hypothese auf, dass diese Vielfalt eine wichtige Triebkraft für die Nährstoff-Kolimitierung sein und die Kolimitierung einschränken könnte, die sich in hochmodernen Modellen zur Projektion der Auswirkungen des Klimawandels entwickelt. Wir fanden auch eine unerwartet wichtige Sekundärrolle für Kobalt oder kobalthaltiges Vitamin B12 bei der Regulierung des Phytoplanktonwachstums nach der Zufuhr von Stickstoff und Eisen.

• Browning, T.J., Achterberg, E.P., Rapp, I., Engel, A., Bertrand, E.M., Tagliabue, A. and Moore, C.M., 2017. Nutrient co-limitation at the boundary of an oceanic gyre. Nature, 551, 242-246.
• Press release.

This work was funded by a Marie Skłodowska-Curie Fellowship to T. Browning from the European Commission as part of Horizon2020.

Eisen- und Zinkbegrenzung der mikrobiellen Phosphoraufnahme
In einigen Regionen der Ozeane in niedrigen Breitengraden sind die Phosphorkonzentrationen so stark abgereichert, dass sie das Phytoplanktonwachstum und die Stickstoff-Fixierungsraten begrenzen könnten. Um genügend Phosphor zu erhalten, greifen Mikroben auf den Phosphorpool zu, der an gelöstes organisches Material gebunden ist. Dazu benötigen sie ein Enzym namens alkalische Phosphatase. Es gibt drei Haupttypen dieses Enzyms: PhoA, PhoX und PhoD. Es war jahrzehntelang bekannt, dass PhoA Zink als seinen aktivierenden Metall-Co-Faktor enthält. Neuere kristallographische Studien haben jedoch gezeigt, dass PhoX und PhoD tatsächlich Eisen enthalten, ein Element, das im Ozean oft nur in geringem Maße verfügbar ist. Wir untersuchten das Potenzial für eine Eisen- und/oder Zinkbegrenzung der alkalischen Phosphatase-Aktivität im subtropischen Nordatlantik, wo die Phosphorkonzentrationen extrem abgereichert sind. Wir fanden heraus, dass die Eisenzufuhr zu signifikanten Verbesserungen der alkalischen Phosphatase führte, wo die Eisenzufuhr aus Staub am geringsten war, und keine Verbesserungen, wo die Eisenzufuhr bereits hoch war. Die Zufuhr von Zink führte durchweg zu keinen Veränderungen der Aktivität der alkalischen Phosphatase, was darauf schließen lässt, dass sie nicht limitierend war.
Xuechao Wang, ein Doktorand in der durch ein CSC-Stipendium finanzierten Gruppe, untersucht dies weiter anhand von Kulturarbeiten mit der Stickstoff-fixierenden Mikrobe Trichodesmium.

• Browning, T.J., Achterberg, E.P., Yong, J.C., Rapp, I., Utermann, C., Engel, A. and Moore, C.M., 2017. Iron limitation of microbial phosphorus acquisition in the tropical North Atlantic. Nature communications, 8, 1-7.
• Press release

This work was funded by a Marie Skłodowska-Curie Fellowship to T. Browning from the European Commission as part of Horizon2020.

Wachstum von Eisen, Kobalt, Vitamin B12 und Phytoplankton in der peruanischen Auftriebszone
Im Rahmen des SFB754-Programms wurden in der peruanischen Auftriebszone Experimente durchgeführt, um die Nährstoffe zu untersuchen, die das Phytoplanktonwachstum begrenzen. Wir stellten fest, dass das Phytoplankton direkt über dem flachen peruanischen Schelf nicht durch Nährstoffe begrenzt wurde, sondern in kurzer Entfernung vor der Küste rasch durch Eisen begrenzt wurde. Weder für Kobalt noch für Vitamin B12 wurde für diese Region eine klare begrenzende Rolle gefunden.

• Browning, T.J., Rapp, I., Schlosser, C., Gledhill, M., Achterberg, E.P., Bracher, A. and Le Moigne, F.A., 2018. Influence of iron, cobalt, and vitamin B12 supply on phytoplankton growth in the tropical East Pacific during the 2015 El Niño. Geophysical Research Letters, 45, 6150-6159. 

This work was funded by a Marie Skłodowska-Curie Fellowship to T. Browning from the European Commission as part of Horizon2020.

Contact: Tom Browning

• Steiner Z., Sarkar A., Prakash S., Vinayachandran P.N., Turchyn A.V. (2020). Dissolved strontium, Sr/Ca ratios, and the abundance of Acantharia in the Indian and Southern Oceans. ACS Earth and Space Chemistry, Vol 4, pp. 802−811.
• Steiner Z., Turchyn A.V., Harpaz E. and Silverman J. (2018). Water chemistry reveals a significant decline in coral calcification rates in the southern Red Sea, Nature Communications, 9:3615.
• Steiner Z., Erez J., Shemesh A., Yam R., Katz A. and Lazar B. (2014). Basin-scale estimates of pelagic and coral reef calcification in the Red Sea and Western Indian Ocean. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), Vol 111, No. 46, pp. 16303-16308.

Lúcia H. Vieira, Stephan Krisch, Mark J. Hopwood, Aaron J. Beck, Jan Scholten, Volker Liebetrau & Eric P. Achterberg (2020). Unprecedented Fe delivery from the Congo River margin to the South Atlantic Gyre. Nature Communications, 11: 556.

FRODO: Zukünftige Bedingungen der CO2-Aufnahme des Ozeans durch die biologische Kohlenstoffpumpe
Dieses Projekt wird die Auswirkungen des Auftriebs an der östlichen Grenze und des Sauerstoffmangels in der Tiefsee auf die Produktivität der Ozeane und den Kohlenstoffexport untersuchen. Unser Untersuchungsgebiet wird der südöstliche Atlantische Ozean sein, wo der mit dem Benguelastrom verbundene Auftrieb zu einer hohen Phytoplanktonproduktivität führt und eine große Sauerstoffminimumzone bildet. Wenn man sich weiter vor der Küste bewegt, nehmen Auftrieb, Produktivität und Sauerstoffverbrauch drastisch ab. Durch die Untersuchung von Standorten entlang dieses Übergangs werden wir wichtige Kontrollen entschlüsseln: (i) die Menge der Phytoplanktonproduktivität im Oberflächenozean und (ii) das Absinken dieses Materials in die Tiefsee. Wir werden mit Modellierern zusammenarbeiten, um unsere Ergebnisse zur Verbesserung der Projektionen der Kohlenstoffaufnahme der Ozeane unter zukünftigen Klimaszenarien zu nutzen, und mit Sozialwissenschaftlern, um die sozioökonomischen Kosten abzuschätzen und die Interessengruppen zu informieren.
Kontakt: Eric Achterberg

ReSEAt: Triebkräfte der Nährstoffbegrenzung und des Kohlenstoffexports im Südatlantik
Dieses Projekt wird die treibenden Kräfte von Nährstoffbegrenzungsregimen im Südostatlantik untersuchen. Wir werden kürzlich aufgewirbeltes Meerwasser an der afrikanischen Küste ins Visier nehmen, das sich dann offshore in Hochenergiefilamenten ausbreitet. Wir werden Nährstoffquellen, -senken und -kreisläufe in den Filamenten, die Auswirkungen und Rückkopplungen von Verschiebungen in der Nährstoffbegrenzung des Phytoplanktons und den Kohlenstoffexport untersuchen.
Kontakt: Tom Browning

SFB754: Klima-Biogeochemie-Wechselwirkungen im Tropischen Ozean
Wir untersuchen die Kontrolle von Eisen und anderen Spurenelementen in zwei Auftriebsgebieten an der östlichen Grenze: vor den Küsten Mauretaniens und Perus. Beide Regionen sind Standorte wichtiger Fischereien und des Kohlenstoffaustauschs zwischen Ozean und Atmosphäre und werden voraussichtlich in Zukunft wichtige Veränderungen erfahren.

Rapp, I., Schlosser, C., Menzel Barraqueta, J.L., Wenzel, B., Lüdke, J., Scholten, J., Gasser, B., Reichert, P., Gledhill, M., Dengler, M. and Achterberg, E.P., 2019. Controls on redox-sensitive trace metals in the Mauritanian oxygen minimum zone. Biogeosciences (BG), 16, 4157-4182.

Rapp, I., Schlosser, C., Browning, T.J., Wolf, F., Le Moigne, F.A., Gledhill, M. and Achterberg, E.P., 2020. El Niño‐driven oxygenation impacts Peruvian shelf iron supply to the South Pacific Ocean. Geophysical Research Letters, 47, p.e2019GL086631.

Browning, T.J., Rapp, I., Schlosser, C., Gledhill, M., Achterberg, E.P., Bracher, A. and Le Moigne, F.A., 2018. Influence of iron, cobalt, and vitamin B12 supply on phytoplankton growth in the tropical East Pacific during the 2015 El Niño. Geophysical Research Letters, 45, 6150-6159.

Contact: Eric Achterberg & Martha Gledhill

Neuartige Anwendung von exponentiell gefütterten Batch-Kulturen (EFB) zur Bestimmung von stationären Elementarstöchiometrien in Cyanobakterien unter Bedingungen einer metallreinen Spurenkultur
In diesem Projekt arbeiteten wir mit Dr. Robert Fischer und Dr. Robert Ptacnik vom Wassercluster, Lunz, Österreich aquascalelab.wordpress.com zusammen, um die Exponentially Fed Batch (EFB)-Kulturtechnik anzuwenden, um eine stationäre Begrenzung von Spurenmetallen im marinen Phytoplankton zu erhalten. Wir verwendeten in den Experimenten den einzelligen Cyanophyten Crocosphaera subtropica und untersuchten Veränderungen in der elementaren Stöchiometrie unter Fe-Begrenzung.
Finanzierung: SFB 754

Regulierung des Häm b-Pools in der einzelligen Diazotroph-Crocosphaera subtropica der Cyanobakterien während der Eisenbegrenzung

Häm b ist ein eisenhaltiger Kofaktor von Hämoproteinen. Häm b macht etwa 20% des intrazellulären Eisenpools im marinen Phytoplankton aus, und Hämoproteine führen Photosynthese, Atmung und die Kontrolle von oxidativem Stress durch. In diesen Experimenten arbeitete Evangelia Louropoulou (PhD 2019 abgeschlossen) mit Prof. Dr. Ruth Schmitz-Streit (Uni Kiel) und Prof. Julie LaRoche (Uni Dalhousie) zusammen, um die Regulation des Häm b-Pools in Crocosphaera subtropica zu untersuchen.
Finanzierung: HOSST 

Kontakt: Martha Gledhill

Pitzer-Interaktionskoeffizienten des Tris-Puffers
Die Substanz Tris (2-Amino-2-hydroxymethyl-1,3-propandiol) wird zusammen mit seiner konjugierten Säure TrisH+ in künstlichem Meerwasser zur Kalibrierung von Instrumenten zur Messung des pH-Wertes von salzhaltigen Wässern verwendet.
Die Messung des pH-Wertes in Meerwasser beruht auf der Genauigkeit der pH-Werte, die für die derzeit zur Kalibrierung verwendeten TRIS-Seewasserpuffer festgelegt wurden, und ist auf natürliche Gewässer der Meerwasserstöchiometrie beschränkt.
Chemische Speziationsmodelle, wie z.B. die auf den Pitzer-Gleichungen basierenden, können potenziell den pH-Wert von Puffern berechnen. Dennoch sind die Speziationsmodelle noch nicht für alle Wechselwirkungen von Tris und TrisH+, die den pH-Wert des Puffers beeinflussen, vollständig charakterisiert, insbesondere bei anderen Temperaturen als 25°C.
Wir quantifizieren die Wechselwirkungen von Tris mit einigen der Hauptkomponenten des Meerwassers, indem wir die Löslichkeit des neutralen Tris in Salzlösungen und der gleichen Salze in wässrigen Lösungen von Tris messen. Unsere Experimente decken einen weiten Konzentrationsbereich und Temperaturen zwischen 5 und 45°C ab.
Wir verwenden die erhaltenen Ergebnisse zusammen mit Literaturdaten, um Pitzer-Modellparameter für die Selbstwechselwirkung von Tris und von Tris mit den Ionen Na+, TrisH+ und SO42- als Funktionen der Temperatur zu erhalten. Wir haben auch den Wert des thermodynamischen Löslichkeitsprodukts von Tris in Wasser als Funktion der Temperatur bestimmt.
Das endgültige Ziel ist es, ein rückverfolgbares chemisches Speziationsmodell für Tris-Puffer in künstlichem Meerwasser als Funktion der Temperatur, des Salzgehalts und der Zusammensetzung des Mediums zu erhalten.
Zusätzlich zur Unterstützung von SCOR ist diese Arbeit Teil eines Projekts, das durch einen gemeinsamen NERC/NSF-Zuschuss mit den PIs Simon Clegg, Andrew Dickson und Heather Benway finanziert wird.
Dabei wurde außerdem ein Demonstrationsmodell entwickelt. 

• Pablo Lodeiro, David R. Turner, Eric P. Achterberg, Florence K. A. Gregson, Jonathan P. Reid, and Simon L. Clegg (in preparation). Solid – Liquid Equilibria in Aqueous Solutions of Tris, Tris-NaCl, Tris-TrisHCl, and Tris-(TrisH)₂SO₄ From 5 ºC to 45 ºC, and Representation with a Pitzer Activity Coefficient Model.
• D. R. Turner, E. P. Achterberg, C.T. A. Chen, S. L. Clegg, V. Hatje, M. Maldonado, S. G. Sander, C. M. van den Berg, and M. Wells (2016). Towards a quality-controlled and accessible Pitzer model for seawater and related systems. Frontiers in Marine Science 3, art. 139, 2016; doi.org/10.3389/fmars.2016.00139

Kontakt: Pablo Lodeiro

Säure-Base-Eigenschaften von gelöstem organischem Material im Meer
Gelöste organische Stoffe im Meer (DOM) sind ein komplexes, heterogenes Gemisch von 1000 Verbindungen. Wir untersuchen die Säure-Base-Eigenschaften dieses komplexen Materials, um den Gesamtsäuregehalt und die Heterogenität der funktionellen Gruppen in DOM zu beschreiben. Diese thermodynamischen Eigenschaften von marinem DOM bestimmen die Wechselwirkungen zwischen DOM und Spurenmetallen und können auch die Gesamtalkalinität in Küstengewässern mit hohen DOM-Konzentrationen beeinflussen. Wir sind dabei, große Mengen DOM anzureichern und sorgfältig kontrollierte Säure-Base-Titrationen an dem angereicherten DOM durchzuführen. In Zusammenarbeit mit Prof. J. Puy, Dr. C. Rey-Castro und Dr. C. David (Universität Lleida, Spanien) verwenden wir eine Kombination aus der nicht-idealen kompetitiven Adsorptionsisotherme (NICA), die die spezifische -chemische - Ionenbindung erklärt, und dem Donnan-Modell für elektrostatische Effekte. Die Anwendung des NICA-Donnan-Modells führt zu intrinsischen Gleichgewichts-Protonationskonstanten für marines DOM, die verwendet werden sollen, um ein mechanistisches Verständnis darüber zu entwickeln, wie der pH-Wert und die Säure-Base-Eigenschaften von marinem DOM die Metallspeziation und die Biogeochemie im Meerwasser beeinflussen. Wir verwenden das Amazonas-Ästuar als eine hochdynamische Fallstudie, und Adrienne Hollister, eine gemeinsame Doktorandin in der Gruppe von Prof. A. Koschinsky an der Jacobs University, Bremen, untersucht die Spurenelement-Biogeochemie im Rahmen einer GEOTRACES-Prozessstudie im Plume des Amazonas-Ästuars mit mehreren Ansätzen.
Finanzierung: DFG

• Lodeiro, P., Rey-Castro, C., David, C., Achterberg, E. P., Puy, J., and Gledhill, M. (2020). Acid-base properties of dissolved organic matter extracted from the marine environment. Sci. Total Environ. 729, 138437. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.138437.

Kontakt: Pablo Lodeiro & Martha Gledhill

Einfluss des pH-Wertes auf die Eisenspeziation in der Meeresumwelt 
Eisen begrenzt die Produktivität in 30% des Oberflächenozeans und seine Biogeochemie wird stark durch seine Wechselwirkungen mit organischer Materie beeinflusst. In diesem Projekt nutzen wir die intrinsischen eisenbindenden Eigenschaften von marinem DOM, um den Einfluss von pH-Wert und DOM auf die Biogeochemie von Eisen zu untersuchen. Mit dem NICA-Donnan-Ansatz leiten wir intrinsische Konstanten zur Beschreibung der Affinität des Spurennährstoffs Eisen zu organischer Substanz ab. Kechen Zhu - ein vom CSC finanzierter Doktorand - wendet neuartige Versuchspläne an, um die Eisenspeziation als Funktion des pH-Wertes im Meerwasser zu bestimmen. Wir arbeiten mit Dr. B-J Groeneberg an der Universität Wageningen zusammen, um das Ionenpaarspeziationsprogramm ORCHESTRA in Kombination mit der Parameterschätzungssoftware PEST zu verwenden, um die intrinsischen Eisenbindungseigenschaften von marinem DOM abzuleiten. Da Ionenpaarmodelle für Meerwasser nicht ideal sind, arbeiten wir auch mit Prof. D. Turner an der Entwicklung von Ionenwechselwirkungsmodellen (Pitzer), die metallorganische Wechselwirkungen einbeziehen, als Teil der SCOR-Arbeitsgruppe 145 zur Modellierung der chemischen Speziation im Meerwasser, um den Anforderungen des 21. Jahrhunderts gerecht zu werden (MARCHEMSPEC). Diese Eigenschaften können dann in biogeochemischen Modellen angewandt werden, um vorherzusagen, wie die Eisenspeziation den Bestand an gelöstem Eisen im Ozean in Zukunft beeinflussen wird, wenn der Ozean als Reaktion auf den erhöhten CO2-Gehalt in der Atmosphäre saurer wird.
Finanzierung: CSC (China), NERC (Großbritannien), SFB 754 (DFG)

• Avendaño, L., Gledhill, M., Achterberg, E. P., Rérolle, V. M. C., and Schlosser, C. (2016). Influence of ocean acidification on the organic complexation of iron and copper in Northwest European shelf seas; a combined observational and model study. Front. Mar. Sci. 3, 58. doi:10.3389/fmars.2016.00058.
• Ye, Y., Völker, C., and Gledhill, M. (2020). Exploring the Iron‐Binding Potential of the Ocean Using a Combined pH and DOC Parameterization. Global Biogeochem. Cycles 34, GBC20978. doi:10.1029/2019GB006425.

Kontakt: Martha Gledhill

Eisenspeziation in der Mikroumgebung von Phytoplanktonzellen und die Folgen für die Fe-Bioverfügbarkeit im Ozean
Mehr als die Hälfte des atmosphärischen CO2 auf der Erde wird vom Phytoplankton aufgenommen, aber Eisen (Fe) begrenzt dessen Wachstum in großen Regionen der Ozeane. Die wichtigsten bestehenden Wissenslücken sind die Wege, über die das Phytoplankton Fe aufnimmt, und der Einfluss der chemischen Bedingungen in der Mikroumgebung der Algenzellen (d.h. der Phykosphäre) auf die Fe-Bildung und die Bioverfügbarkeit. Dieses Wissen stellt ein Hindernis für das Verständnis der komplexen Auswirkungen des Klimawandels auf die Fe-Aufnahme und die Kohlenstoff-Fixierung im Ozean dar. In diesem Projekt, das in Zusammenarbeit mit Dr. Gledhill und Prof. Achterberg am GEOMAR sowie Prof. Korchev am Imperial College London durchgeführt wird, werde ich die chemischen Bedingungen und die Fé-Speziation in der Phykosphäre von Modell-Phytoplanktonarten bestimmen, die Rolle der Fé-Speziation in der Phykosphäre für die Fe-Bioverfügbarkeit quantifizieren und die Einflüsse des Klimawandels (d.h. Erwärmung und erhöhter CO2-Gehalt) auf die Fé-Grenzflächenprozesse von Fé-Algen untersuchen. Die Daten des Projekts werden uns helfen, die Fe-Bioverfügbarkeit für das Phytoplankton in den heutigen und zukünftigen Ozeanen besser einzuschätzen, was einen entscheidenden Beitrag zur globalen Kohlenstoffbindung leistet.
Finanzierung: MSCA (Europäische Kommission)

• Liu F, Tan QG, Dominik W, Crémazy A, Fortin C, Campbell PGC. 2020. Unravelling metal speciation in the microenvironment surrounding phytoplankton cells to improve predictions of metal bioavailability. Environmental Science & Technology, doi.org/10.1021/acs.est.9b07773
• Liu F, Tan QG, Fortin C, Campbell PGC. 2019. Why does cysteine enhance metal uptake by phytoplankton in seawater but not in fresh water? Environmental Science & Technology, 53(11):6511-6519.
• Liu F, Fortin C, Campbell PGC. 2018. Chemical conditions in the boundary layer surrounding phytoplankton cells modify cadmium bioavailability. Environmental Science & Technology, 52(14): 7988-7995.

Das marine Metallome
Von den 1000 organischen Molekülen, die in der Meeresumwelt vorkommen, ist ein Teil bekannt, dass es sich um Metaboliten handelt, die von Meeresorganismen produziert werden, wie z.B. Aminosäuren, Nukleotide, Purine und Kohlenhydrate. Einige wenige dieser Metaboliten enthalten Metalle. Beispiele sind Hämatome, Siderophoren, Cobalamine (Vitamin-B12-Komplexe) und Methanobactine. Einige dieser Metaboliten sind Kofaktoren von Proteinen (z.B. Häm, Cobalamine), während andere hochspezifische Komplexe sind, die von Mikroben produziert werden, um lebenswichtige Metalle aus der Umwelt aufzunehmen (Siderophoren, Methanobactin). Wir untersuchen das Vorkommen dieser Metaboliten sowohl in partikulären als auch in gelösten Fraktionen im Meerwasser, im Süßwasser oder in Organismen in Kultur, um zu verstehen, wie ozeanische Spurenelementverteilungen den mikrobiellen Metallstoffwechsel beeinflussen könnten. Wir verwenden eine Kombination aus organischen und elementaren Massenspektrometrietechniken, um das marine Metallom zu untersuchen.
Kollaborationen: Prof. Yeala Shaked, IUI Eilat, Israel, Dr. Insa Rapp, Dalhousie Universität.
Finanzierung: DFG, Deutsch-Israelische Stiftung, Ocean Frontier Institute (Kanada). 

• Gledhill, M., Basu, S., and Shaked, Y. (2019). Metallophores associated with Trichodesmium erythraeum colonies from the Gulf of Aqaba. Metallomics 11, 1547–1557. doi:10.1039/C9MT00121B.
• Basu, S., Gledhill, M., de Beer, D., Prabhu Matondkar, S. G., and Shaked, Y. (2019). Colonies of marine cyanobacteria Trichodesmium interact with associated bacteria to acquire iron from dust. Commun. Biol. 2, 284. doi:10.1038/s42003-019-0534-z.
• Louropoulou, E., Gledhill, M., Browning, T. J., Desai, D. K., Barraqueta, J.-L. M., Tonnard, M., et al. (2019). Regulation of the phytoplankton heme b iron pool during the North Atlantic Spring Bloom. Front. Microbiol. 10, 1566. doi:10.3389/fmicb.2019.01566.
• Louropoulou, E., Gledhill, M., Achterberg, E. P., Browning, T. J., Honey, D. J., Schmitz, R. A., et al. (2020). Heme b distributions through the Atlantic Ocean: evidence for “anemic” phytoplankton populations. Sci. Rep. 10, 4551. doi:10.1038/s41598-020-61425-0.

Kontakt: Martha Gledhill

Ein großer Teil der Bomben des Zweiten Weltkriegs wurde nicht explodiert, so dass Hg-haltige Hüllen in den Sedimenten eingebettet sind. Vor und während des Zweiten Weltkriegs wurden in der Nähe der Ostseestadt Kiel (Deutschland) große Mengen an Flugzeugmunition verschossen. Viele dieser Munition befindet sich in Küstennähe und in der Nähe von Bevölkerungszentren und Fischgründen, die empfindlich auf Hg-Toxizität reagieren.  Nach 70 Jahren auf dem Meeresboden zersetzen sich die Geschosse und setzen ihre explosiven Verbindungen, einschließlich Hg-Fulminat, frei. Es wurde nachgewiesen, dass signifikante Mengen an Munitionsverbindungen wie Nitroaromaten in den Gewässern um die Bomben herum nachgewiesen wurden. Daher ist es wichtig zu erforschen, ob das Hg in der Munition auch in diesen Gebieten ausgeprägt ist und ob es eine Gefahr für Küstenbewohner und aquatische Biota darstellt. Um diese Aufgabe zu erfüllen, werden Fische, Plankton, Gewässer und Sedimente an Orten gesammelt, die sich in unmittelbarer Nähe zu bekannten Munitionen befinden. Die unmittelbare Lage dieser Bomben wird durch geophysikalische Kartierungen und Messungen verifiziert. Die Proben werden im Biogeochemie-Labor des GEOMAR auf Hg und MeHg analysiert, um festzustellen, ob ein Potenzial für den Austritt oder die Umwandlung von Hg aus den alten Bomben in die Umwelt besteht.  Diese Forschung wird helfen, die Bedrohung der Bürger und der Umwelt durch lokalisiertes toxisches Hg aus der Munition zu beurteilen. Es ist möglich, dass diese Ergebnisse uns helfen werden, die lokalen Auswirkungen der Degradation auf lokale Gewässer zu verstehen und wo die Munitionssanierung und -beseitigung priorisiert werden könnte.

Kontakt: Kathleen Gosnell