Warum Eisen im Ozean nicht einfach rostet

Die Verfügbarkeit des lebenswichtigen Spurenelements Eisen für Meeresorganismen wird maßgeblich durch die Vielfalt organischer Moleküle im Meerwasser bestimmt, wie eine neue Studie eines internationalen Teams unter der Leitung von Dr. Martha Gledhill vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel belegt. Da Eisen als essenzieller Nährstoff die biologische Produktivität und das Wachstum des Phytoplanktons an der Basis der Nahrungskette steuert, liefern diese Ergebnisse fundamentale Einblicke in die Reaktion des ozeanischen Lebens auf den Klimawandel. Erstmals lässt sich damit die Bildung von Eisenmineralen sowie die Verteilung von gelöstem und partikulärem Eisen im Südpazifik realistisch prognostizieren. Während die Vorhersage der Mineralbildung bislang als schwierig galt, zeigt die Untersuchung, dass die organische Molekülvielfalt darüber entscheidet, ob Eisen gelöst bleibt oder ausfällt.

„Im sauerstoffreichen Ozean wandelt sich Eisen spontan in feste, rostähnliche Minerale um. Dieser Prozess wird durch die Reaktion von Eisen mit organischer Substanz ausgeglichen – einem äußerst komplexen Gemisch von Molekülen, das als Folge marinen Lebens entsteht“, erklärt Dr. Martha Gledhill. „Wir haben festgestellt, dass die Vielfalt der organischen Substanz entscheidend dafür ist, ihre Fähigkeit zur Eisenbindung und ihre Konkurrenz zur Bildung von Eisenmineralen vorherzusagen.“

Warum bisherige Modelle zu kurz greifen

Die bisherige Forschung stützte sich auf die stark vereinfachte Annahme, dass alle organischen Moleküle ähnliche chemische Eigenschaften besitzen. Diese Sichtweise vernachlässigt jedoch die molekulare Vielfalt, durch die gelöstes Eisen unterschiedlich stark gebunden wird und somit in variabler Effizienz mit der Mineralbildung konkurriert. Um diese Lücke zu schließen, untersuchte das Forschungsteam, wie sich die chemische Komplexität organischer Moleküle auf die Eisenbindung sowie die Entstehung rostähnlicher Minerale auswirkt. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Frage, wie sich diese Prozesse unter realen Umweltbedingungen in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Säuregrad des Meerwassers verändern.

Ein neuer Modellansatz

Für ihre Untersuchung entwickelten die Forschenden ein neuartiges chemisches Modell, das die organische Substanz als komplexes Gemisch von Molekülen mit variierenden Bindungsstärken für Eisen definiert. Dieser Ansatz integriert erstmals maßgebliche natürliche Faktoren wie Temperatur und Säuregrad des Meerwassers. Zur Überprüfung wurde das Modell auf Messdaten der Pazifik-Expedition SO289 (GEOTRACES-Programm) aus dem Jahr 2022 angewendet.

Die Ergebnisse belegen, dass erst die Berücksichtigung der chemischen Vielfalt eine präzise Vorhersage über die Verteilung von gelöstem und partikulärem Eisen ermöglicht. Insbesondere an hydrothermalen Quellen und einem Unterwasservulkan konnte eine verstärkte Bildung von Eisenmineralen nachgewiesen werden. Dank dieser realistischeren Darstellung gelang es dem Team, ozeanische Prozesse zuverlässig zu reproduzieren, die mit herkömmlichen Modellen bislang nur unzureichend erklärbar waren.

Bedeutung für Klimaforschung und marine Ökosysteme

Die gewonnenen Erkenntnisse vertiefen das Verständnis des marinen Eisenkreislaufs signifikant und stellen essenzielle Bausteine für künftige biogeochemische Klimamodelle dar. Da die Eisenverfügbarkeit unmittelbar das Wachstum von Phytoplankton und somit die ozeanische Kapazität zur Aufnahme von Kohlendioxid steuert, kommt diesen Ergebnissen eine zentrale Rolle für globale Klimaprognosen zu.

„Unsere Arbeit zeigt, dass die genaue Beschreibung der chemischen Eigenschaften organischer Substanz entscheidend ist, um den Eisenkreislauf im Ozean zu verstehen“, betont Gledhill. „Sie eröffnet einen Weg zu umfassenderen Modellen für Eisen und andere Metalle und hilft uns, die Reaktionen mariner Ökosysteme auf zukünftige Umweltveränderungen besser abzuschätzen.“

Quelle

GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung KieI (04/2026)