Bioanorganische Nanopartikel als Transportmittel für Eisen

Die Moore der Erde bedecken heute 14% des Festlandes. Sie sind, entsprechend unseren Ergebnissen, sehr stark an der Fruchtbarkeit der Meere beteiligt, was bisher noch nicht bekannt war. Das vorliegende Projekt soll diese Erkenntnisse vertiefen und quantifizieren. Auch in Hinblick auf die Auswirkungen der fortschreitenden Verluste an Moorfläche durch Trockenlegung und Aufforstung. Eisen ist das vierthäufigste Element in der Erdkruste, dennoch weisen weite Bereiche des Ozean- Oberflächenwassers extrem niedrige Konzentrationen davon auf. Als für das Phytoplankton essentielles Spurenmetall wird es heute als limitierender Faktor für die Primärproduktion in den Ozeanen angesehen. Es nimmt somit auch eine Schlüsselposition im globalen CO 2 -Kreislauf ein, denn der Aufnahme von atmosphärischem CO 2 durch das Phytoplankton wird wesentliche Bedeutung als globale CO 2 - Senke beigemessen. Als Quelle des Eintrages von Eisen in die Meere wurde bisher hauptsächlich die Windverfrachtung von Staub von den Kontinenten angesehen. Ein bedeutender Eintrag durch Flusswasser wurde bis dato ausgeschlossen, da angenommen wurde, dass der überwiegende Anteil der vom Fluss transportierten kolloidalen Eisenpartikel in der Brackwasserzone der Flussmündungen koaguliert und sedimentiert. Rezente Untersuchungen im Mississippi Delta haben jedoch gezeigt, dass Komplexe von Eisen(III) und pflanzlichen Abbauprodukten kolloidal in Lösung bleiben und so wesentlich zur Eisen-Düngung der Küstengewässer beitragen können. Wie unsere Vorversuche belegen, eignen sich vor allem die aus Torfmooren stammenden pflanzlichen Abbauprodukte als Komplexliganden für Eisen ausgezeichnet: Sie erhöhen die Aggressivität der Verwitterungslösung beträchtlich, sodass organisch gebundenes, kolloidal gelöstes Eisen in hohen Konzentrationen aus den Moorböden in die Fließgewässer eingespeist wird. Es sind auch diese Eisen tragenden bioanorganischen Nanopartikel, die für den Transport von Eisen über die Brackwasserzone ins offene Meer hinaus verantwortlich sind. Im vorliegenden Projekt soll unter Berücksichtigung der globalen Verbreitung von Mooren der aquatische Transport bioverfügbaren Eisens von terrestrischen Lebensräumen ins Meer neu abgeschätzt werden. Hierzu wird eine von uns entwickelte 59Fe-Tracer Methode verwendet, die es ermöglicht, die Verteilung des Eisens zwischen Wassersäule und Sediment mit hoher Präzision zu bestimmen. Mit Hilfe von Feld-Mischungsversuchen an Flüssen in Nord-Schottland, deren Einzugsgebiete unterschiedliche Grade von Moor-Bedeckung aufweisen, und natürlichem Meerwasser des angrenzenden Küstenbereichs soll der Einfluss des Moorwassers quantifiziert werden. Gleichzeitig ist es geplant, die chemischen und physikalischen Eigenschaften der einzigartigen natürlichen Nanopartikel, deren Aufgabe es ist den Ozean mit Eisen zu versorgen, im Detail zu untersuchen.

Eisen als Spurenelement ist für alle marinen Organismen absolut lebensnotwendig. Weite Bereiche des Weltozeans (ca. 50%) weisen allerdings extrem niedrige Konzentrationen an Eisen auf, sodass der Eisenmangel das Wachstum der Organismen streng limitiert. Insbesondere das Wachstum des Phytoplanktons (einzelliger Meeresalgen) hängt vom Eisengehalt des umgebenden Wassers ab, da für die Photosynthese besonders viel Eisen benötigt wird, und dieses von den Algen aus dem Wasser entnommen werden muss. Die einzelligen Meeresalgen stehen am Beginn der Nahrungskette, d.h. sie dienen als Nahrungsgrundlage für alle anderen marinen Organismen. Aber damit nicht genug. Auch die Stabilität des globalen Klimas beruht letztendlich auf einer guten Eisenversorgung des Ozeans. Denn die Photosynthese der Meeresalgen entzieht der Atmosphäre gewaltige Mengen an CO2. Als Quelle des Eintrages von Eisen in die Meere wurde bisher hauptsächlich die Windverfrachtung von Staub von den Kontinenten angesehen. Ein bedeutender Eintrag durch Flusswasser wurde ausgeschlossen, da angenommen wurde, dass das von Flüssen transportierte Eisen in der Brackwasserzone der Flussmündungen ausflockt und sedimentiert und daher niemals den offenen Ozean erreichen kann. Die Ergebnisse des vorliegenden Projekts relativieren diese Lehrmeinung. Im Rahmen des vorliegenden Projekts konnte am Beispiel von schottischen Torfmooren eindeutig bewiesen werden, dass dort, wo das saure Moorwasser mit dem eisenhaltigen Gestein in Berührung kommt, einzigartige Nanopartikel gebildet werden, die mit Eisen-Ionen beladen sind. Sie können mit dem Niederschlag in Bäche und Flüsse gelangen und schließlich durch die ins Meer mündenden Flüsse in die Küstengewässer transportiert werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese molekularen Transportfahrzeuge für Eisen aus Lignin-Bausteinen bestehen. Diese im Rahmen des vorliegenden Projekts entdeckten Verbindungen können als wichtige Trägersubstanz für bioverfügbares Eisen im Ozean betrachtet werden.