Sauerstoffminimumzonen & Meeres-Todeszonen

Sauerstoffminimumzonen verstehen

OMZs sind permanente, natürlich vorkommende Eigenschaften des Weltozeans, die hauptsächlich im östlichen tropischen Pazifik, im Arabischen Meer und in der Bucht von Bengalen zu finden sind. Sie bilden sich in mittlerer Tiefe (typischerweise 200–1.000 m), wo zwei Prozesse zusammenlaufen: intensive biologische Sauerstoffzehrung durch Mikroben, welche die vom produktiven Oberflächenozean herabsinkenden organischen Partikel zersetzen, und schlechte Belüftung durch gut mit Sauerstoff angereichertes tiefes und intermediäres Wasser von unten. Das Ergebnis ist eine Schicht, in der der gelöste Sauerstoff (DO) vom Oberflächensättigungswert von ~8 mg L⁻¹ auf unter 0,5 mg L⁻¹ sinken kann – oder sogar auf analytisches Null in den intensivsten OMZs, wie dem östlichen tropischen Südpazifik vor Peru und Chile, wo sich sulfidische Bedingungen entwickeln.

Strammas 50-Jahres-Zeitreihe

Stramma et al. [1] haben wiederholte hydrografische Beobachtungen aus dem tropischen Atlantik, Pazifik und Indischen Ozean über 50 Jahre zusammengetragen und Zeitreihen des gelösten Sauerstoffs in der Tiefe erstellt. Ihre Analyse zeigte eine statistisch robuste Ausweitung des Volumens an sauerstoffarmem Wasser, wobei die tropische Atlantik-OMZ im Laufe des Zeitraums um ca. 4,5 Millionen km² wuchs. Der Sauerstoffverlust im tropischen Atlantik in 300–700 m Tiefe betrug durchschnittlich 0,36 μmol kg⁻¹ pro Jahrzehnt – in absoluten Zahlen bescheiden, aber über Jahrzehnte hinweg summierend, um eine messbare Verflachung der oberen Oxykline (die Grenze, oberhalb derer Sauerstoff für die meisten Tierarten ausreichend ist) zu verursachen. Zu den physikalischen Treibern gehören die reduzierte Sauerstofflöslichkeit in einem sich erwärmenden Ozean (wärmeres Wasser speichert einfach weniger gelöstes Gas) und eine erhöhte Dichteschichtung, die die Abwärtsmischung von sauerstoffreichem Oberflächenwasser in die Thermokline unterdrückt.

Küstennahe Todeszonen: Eine Geschichte der Eutrophierung

Während OMZs Eigenschaften der mitteltiefen Zirkulation des offenen Ozeans sind, sind küstennahe Todeszonen ein deutlich anthropogenes Phänomen, das durch Nährstoffbelastung verursacht wird. Wenn Flüsse, die mit Stickstoff und Phosphor aus landwirtschaftlichen Düngemitteln, Abwasser und atmosphärischen Ablagerungen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe beladen sind, in Küstengewässer münden, befeuern sie explosive Phytoplanktonblüten. Diese Blüten sterben schließlich ab und sinken, und die mikrobielle Zersetzung dieser enormen Menge an organischem Material verbraucht den gelösten Sauerstoff im Bodenwasser, wodurch hypoxische oder anoxische Bedingungen – Bodenwasser-Hypoxie – entstehen, die während der Sommerstratifikation Wochen bis Monate anhalten, wenn wärmeres, weniger dichtes Oberflächenwasser das System bedeckt und eine Wiederanreicherung mit Sauerstoff von oben verhindert.

Die Hypoxie-Zone im Golf von Mexiko

Der nördliche Golf von Mexiko beherbergt die größte Todeszone der westlichen Hemisphäre, gespeist durch das Mississippi-Atchafalaya-Flusssystem, das 41 % der kontinentalen Vereinigten Staaten entwässert – 1,8 Millionen km² Ackerland. Jedes Frühjahr spülen Schneeschmelze und Frühlingsregen stickstoffreiche Abflüsse von Mais- und Sojabohnenfeldern in den Mississippi, der jährlich etwa 1,5 Millionen Tonnen Stickstoff in den Golf liefert. Bis Mitte des Sommers bedeckt die daraus resultierende hypoxische Zone typischerweise 13.000–15.000 km² des Bodens des Louisiana-Texas-Kontinentalschelfs; im Jahr 2017 erreichte sie einen Rekordwert von 22.720 km². Diaz und Rosenberg [2] stellten fest, dass die Todeszone im Golf von Mexiko zu den am besten dokumentierten weltweit gehört, wobei die Überwachung seit Mitte der 1980er Jahre eine hohe interannuelle Variabilität (verursacht durch den Flussabfluss) zeigte, aber keine langfristige Verbesserung der Nährstoffbelastung aus dem Einzugsgebiet.

Die Ostsee

Das halb-geschlossene Becken der Ostsee, flache Schwellen, die den Austausch mit der Nordsee begrenzen, und ein intensiv bewirtschaftetes Einzugsgebiet, das neun Nationen umfasst, machen sie zum am stärksten eutrophierten Großmeer der Welt. Hypoxie in den offenen Gewässern der Ostsee ist kein saisonales, sondern ein chronisches Phänomen: Die tiefen Ostseebecken erleben seit mindestens Mitte des 20. Jahrhunderts eine nahezu permanente Anoxie, und das hypoxische und euxinische (sulfidische) Gebiet hat sich erheblich ausgedehnt. Conley et al. [4] dokumentierten, dass die küstennahe Hypoxie – die in den Archipelen und Buchten auftrat, die zuvor vor offener Seeanoxie geschützt waren – an der Ostseeküste am Anfang des 21. Jahrhunderts weit verbreitet und beispiellos geworden war. Krapf et al. [3] fanden heraus, dass die hypoxische Fläche in der offenen Ostsee in den letzten Jahren 60.000 km² überschritten hat, wobei euxinische Bedingungen (vollständige Sauerstoffzehrung mit Schwefelwasserstoffproduktion) bis zu 20.000 km² bedeckten. Meier et al. [5] dokumentierten beschleunigte Sauerstoffverbrauchraten, die die Deoxygenierung verstärken – was bedeutet, dass selbst wenn die Nährstoffbelastung reduziert würde, die Sauerstofferholung um Jahrzehnte verzögert würde.

Faktoren der OMZ-Ausbreitung

Erwärmung und Schichtung der Ozeane

Der grundlegendste Treiber der OMZ-Ausdehnung ist die Erwärmung der Ozeane. Die Löslichkeit von Gasen nimmt mit der Temperatur ab: Je wärmer das Wasser, desto weniger Sauerstoff kann es bei Sättigung enthalten. Wenn sich die Meeresoberfläche erwärmt, nimmt der Sauerstoffgehalt des in die Thermokline eintauchenden Wassers ab. Gleichzeitig reduziert eine stärkere thermische Schichtung die Abwärtsmischung von sauerstoffreichem Oberflächenwasser und die Aufwärtsbelüftung des OMZ-Wassers durch tiefe Konvektion. Kwiatkowski et al. [7] prognostizierten anhand von CMIP6-Modellen, dass der globale mittlere gelöste Sauerstoff bis 2100 unter SSP5-8.5 um etwa 3,5 % sinken wird, wobei die größten Verluste in tropischen Thermoklinen-Wassern zu verzeichnen sind, wo OMZs bereits am intensivsten sind. Dies entspricht einer volumetrischen Ausdehnung des hypoxischen Wassers im Tiefenbereich von 200–600 m, die den für mittel- und obere mesopelagische Organismen verfügbaren Lebensraum weiter komprimieren würde.

Nährstoffbelastung und Algenblüten

In küstennahen Systemen ist der Haupttreiber der Todeszonen-Ausbreitung die Eutrophierung – die übermäßige Anreicherung von Wasser mit Nährstoffen, hauptsächlich reaktivem Stickstoff (Nitrat, Ammonium) und Phosphor. Die weltweite Produktion von reaktivem Stickstoff hat sich seit 1900 mehr als verzehnfacht, angetrieben durch das Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von synthetischem Dünger und die Verbrennung fossiler Brennstoffe (die Stickoxide freisetzt). Agrarische Wassereinzugsgebiete exportieren weitaus mehr Stickstoff in die Küstengewässer als vorindustrielle Systeme, was zu häufigeren, intensiveren und geografisch ausgedehnteren hypoxischen Ereignissen führt. Diaz und Rosenberg [2] stellten fest, dass die Anzahl der küstennahen Todeszonen zwischen 1960 und 2008 exponentiell gewachsen war, von weniger als 10 weltweit dokumentierten auf über 400 – eine Wachstumskurve, die direkt mit der Produktion von synthetischem Dünger und der Stickstoffablagerung korreliert ist.

Hypoxie-Schwellenwerte: Was die Biologie toleriert

Der kanonische ökologische Hypoxie-Schwellenwert liegt bei 2,0 mg O₂ L⁻¹ (62,5 μmol kg⁻¹). Unterhalb dieser Konzentration evakuieren die meisten demersalen Fische (am Boden lebende Arten wie Kabeljau, Plattfische und Zackenbarsche) das Gebiet oder sterben, wenn sie nicht fliehen können. Mobile Wirbellose – Garnelen, Krebse, Hummer – versuchen abzuwandern, werden aber oft durch die Ausdehnung der Hypoxie-Zone gefangen. Sessile Wirbellose – Schwämme, Muscheln, Stachelhäuter – können nicht fliehen und sterben an Ort und Stelle, manchmal in spektakulären Massensterben. Unter 0,5 mg L⁻¹ können nur bestimmte spezialisierte Polychaeten und anaerobe Bakterien überleben. Sweetman et al. [6] untersuchten die Auswirkungen auf Tiefsee-Benthosgemeinschaften und stellten fest, dass selbst subletale Hypoxie – Sauerstoffkonzentrationen zwischen 2,0 und 4,0 mg L⁻¹ – Wachstumsraten, Reproduktionsleistung und Immunfunktion bei benthischen Wirbellosen reduziert, was die Widerstandsfähigkeit der Gemeinschaft lange vor dem Auftreten von Massensterben beeinträchtigt.

• Über 4,0 mg L⁻¹: Normale Funktion für die meisten Meeresfauna. Minimaler gelöster Sauerstoff für die meisten Korallenfischarten.
• 2,0–4,0 mg L⁻¹ (subletale Hypoxie): Reduziertes Wachstum, Fortpflanzung und Immunfunktion. Viele Fische meiden diese Tiefen.
• Unter 2,0 mg L⁻¹ (Hypoxie): Massenfisch- und Wirbellosensterben; ökologische Todeszone. Standardgrenzwert für die Ausrufung einer Todeszone.
• Unter 0,5 mg L⁻¹ (starke Hypoxie/Anoxie): Nahezu völlige Abwesenheit von Makrofauna; Schwefelbakterienmatten-Gemeinschaften. Produktion von Schwefelwasserstoffgas bei vollständiger Anoxie möglich.

Ökologische Konsequenzen

Lebensraumkompression und der Squeeze-Effekt

Wenn sich OMZs nach oben (flacher) zur Oberfläche ausdehnen, werden kommerziell und ökologisch wichtige Arten – darunter Gelbflossen-Thunfisch, Blauflossen-Marlin, Mahi-Mahi und eine Reihe großer Tintenfische – in dünnere, gut sauerstoffreiche Oberflächenschichten komprimiert. Dieser „Lebensraumquetsch“ wurde experimentell mittels elektronischer Markierungsdaten von Thunfischen im östlichen tropischen Pazifik dokumentiert, wo die OMZ das Tauchverhalten nun auf die oberen 100 m begrenzt. Für Taucher kann dieser Kompressionseffekt spektakuläre Ansammlungen pelagischer Megafauna nahe der Oberfläche erzeugen – diese Ansammlungen signalisieren jedoch ökologischen Stress, nicht Überfluss. Sie erhöhen auch die Anfälligkeit der Fische für Oberflächen-Langleinenfischereien, was die Überfischung bereits gestresster Bestände möglicherweise beschleunigt.

Kollaps und Erholung benthischer Gemeinschaften

Todeszonen-Ereignisse töten benthische Gemeinschaften umfassend. Diaz und Rosenberg [2] schätzten, dass Todeszonen allein auf dem Schelf des Golfs von Mexiko jährlich Milliarden benthischer Wirbelloser töten, mit direkten wirtschaftlichen Verlusten für die kommerzielle Schalentier- und Garnelenfischerei in Höhe von Hunderten Millionen Dollar pro Jahr. Die Erholung der Benthos nach hypoxischen Ereignissen hängt von der Intensität, Dauer des Ereignisses und der Verfügbarkeit von Larven aus umliegenden sauerstoffreichen Gebieten ab. Nach einem einzelnen moderaten Ereignis kann die Erholung innerhalb von Wochen beginnen, wenn der Sauerstoff zurückkehrt und mobile Organismen von den Rändern aus wieder besiedeln. Nach wiederholter oder anhaltender Anoxie – wie in den tiefen Ostseebecken – kann die Erholung Jahrzehnte bis Jahrhunderte dauern, insbesondere wenn das Sediment sulfidisch geworden ist.

Todeszonen sind heute ein ernstes globales Umweltproblem, vergleichbar mit dem Verlust der Artenvielfalt und dem Klimawandel, mit der Fähigkeit, Küsten- und Ozeanökosysteme grundlegend zu verändern.

— Diaz & Rosenberg, Science, 2008 [2]

Was Taucher in OMZ- und Todeszonenregionen erleben

Sporttaucher begegnen den Kernbereichen der OMZ selten direkt, da diese typischerweise unterhalb der Sporttauchtiefen (unter 200 m) liegen. Die ökologischen Auswirkungen sind jedoch in der oberen Wassersäule sichtbar: ungewöhnliche Ansammlungen von Fischen und Tintenfischen nahe der Oberfläche über Auftriebs-OMZ-Rändern; eine scheinbare Seltenheit bestimmter demersaler Arten an Kontinentalschelfabhängen; das Fehlen der vielfältigen Schwamm- und Seelilien-Gemeinschaften, die dort gedeihen, wo sauerstoffreiches Wasser Seebergwände belüftet. In flachen küstennahen Todeszonen können Taucher, die sich in sommerlich geschichtete Ostseefjorde, angrenzende Gewässer der Chesapeake Bay oder den nördlichen Golf von Mexiko-Schelf wagen, den charakteristischen Geruch von Schwefelwasserstoff in der Tiefe wahrnehmen – ein Ergebnis von sulfatreduzierenden Bakterien, die in vollständig anoxischen Bodensedimenten Stoffwechsel betreiben. Die Sichtweite bricht in Todeszonengewässern häufig zusammen, da Bakterienmatten und partikuläres organisches Material die Trübung erhöhen.

Politik, Erholung und der lange Weg zurück

Der 2007 verabschiedete HELCOM Baltic Sea Action Plan der Ostsee hat verbindliche nationale Nährstoffreduktionsziele festgelegt und in einigen Ländern zu bescheidenen Rückgängen der Stickstoffbelastung geführt. Die Überwachung zeigt leichte Sauerstoffverbesserungen an einigen Küstenstationen, aber die offene Wasserhypoxie in der zentralen Ostsee bleibt schwerwiegend – da das System einen mehrere Jahrzehnte dauernden Verzug zwischen Nährstoffreduktion und Sauerstoffreaktion hat, was die lange Verweildauer der bereits im Sediment eingebetteten Nährstoffe widerspiegelt. Die Todeszone im Golf von Mexiko wird ohne größere Reduzierungen der Stickstoffeinträge aus der Landwirtschaft im Mississippi-Becken nicht wesentlich schrumpfen – eine Herausforderung, an der seit den 1990er Jahren mehrere politische Rahmen scheiterten. IMO-Vorschriften für Ballastwasser, MARPOL-Anhang V-Bestimmungen für Meeresmüll und neu entstehende Nährstoffhandelssysteme adressieren einige Belastungen, lassen aber den dominanten Treiber – landwirtschaftliche Abflüsse – weitgehend unreguliert an der Quelle.

• Reduzierung von Stickstoff- und Phosphorlasten aus der Landwirtschaft: Die effektivste Einzelmaßnahme für Küsten-Todeszonen. Erfordert verbessertes Nährstoffmanagement, Zwischenfrüchte und Uferstreifen in Einzugsgebieten.
• Verbesserung der Abwasserbehandlung: Sekundär- und Tertiärbehandlung reduzieren Stickstoff- und Phosphorlasten aus städtischen Gebieten drastisch.
• Wiederherstellung von Küstenfeuchtgebieten: Mangroven, Salzwiesen und Seegraswiesen fangen terrestrische Nährstoffabflüsse ab, bevor sie das offene Meer erreichen.
• Fischereimanagement zur Aufrechterhaltung der Nahrungsnetzfunktion: Intakte Raubtiergemeinschaften können Algenwachstum unterdrücken und das Sauerstoffgleichgewicht in flachen Riffen erhalten.
• Reduzierung der Treibhausgasemissionen: Die einzige Maßnahme, die die Ozeanerwärmungskomponente der OMZ-Ausbreitung betrifft, ist eine tiefgreifende Dekarbonisierung.

Der zukünftige Ozean bei hohen Emissionen

Sweetman et al. [6] prognostizierten, dass bis 2100 unter Szenarien hoher Emissionen bis zu 70 % der bathyalen Zone (200–3.000 m Tiefe) – der Lebensraum von Kaltwasserkorallen, Fischansammlungen an Seebergen und Tiefenriff-Tauchplätzen – eine signifikante Deoxygenierung erfahren könnten, was die Tiefsee-Gemeinschaften, die der Wissenschaft weitgehend unbekannt und von Sporttauchern völlig unerforscht sind, grundlegend umstrukturieren würde. Für flachere Systeme prognostizieren Kwiatkowski et al. [7] einen Rückgang des Sauerstoffs in tropischen thermoklinen Gewässern unter allen SSP-Szenarien, wobei SSP5-8.5 Verluste verursacht, die groß genug sind, um eine permanente Ausdehnung der oberen OMZ-Grenzen in die mesopelagische Zone, wo kommerzielle Fischarten fressen, zu bewirken. Für Tauchziele, die auf der außerordentlichen Produktivität von Auftriebsgebieten basieren – Galapagos, Socorro, Cocos Island, Mosambik-Kanal –, stellt die Verflachung der OMZ einen zusätzlichen Stressfaktor dar, der sich zu thermischer Bleiche, Versauerung und Überfischung gesellt und den ökologischen Spielraum, innerhalb dessen diese Weltklasse-Tauchökosysteme derzeit funktionieren, komprimiert.