AG Mikropaläontologie - Paläozeanographie

Metall- und Wachstumsanomalien in Foraminiferenschalen als Indikator für industrielle Verschmutzung: eine Fallstudie aus dem östlichen Mittelmeer

Prof. Michal Kucera, Dr. Raphael Morard, Dr. Michael Siccha

1.4.2020 - 31.3.2024

In den letzten Jahren ist ein beträchtliches Wachstum von Industrieanlagen entlang der israelischen Küstengebiete zu verzeichnen gewesen. Einige von ihnen sind von großer wirtschaftlicher und nationaler Bedeutung, doch ihr Betrieb kann eine Vielzahl von Chemikalien, wie z. B. Schwermetalle, einbringen, die das Küstengebiet verunreinigen und die lokalen Ökosysteme und unsere Gesundheit beeinträchtigen können. Die Bemühungen um eine Abschwächung dieser Auswirkungen und die Einführung nachhaltigerer Praktiken hängen von der Kenntnis der Ausgangskonzentrationen potenzieller Schadstoffe und unserer Fähigkeit ab, ihr Vorhandensein und ihre biologischen Auswirkungen in kleinem Maßstab zeitlich und räumlich zu überwachen und sie selbst bei niedrigen Konzentrationen zu erkennen, bevor sie Schaden anrichten und als Verschmutzung gelten. Die direkte Überwachung der Wasserchemie ist logistisch schwierig und analytisch teuer, und die Reaktionszeit des Ökosystems ist oft zu lang, um eine begleitende Reaktion zu beobachten, vor allem wenn die Schadstoffe intermittierend freigesetzt werden. Stattdessen ist ein biologisches System erforderlich, das die Verschmutzungswerte und die biotische Reaktion im Laufe der Zeit gleichzeitig aufzeichnet. In diesem Vorschlag schlagen wir vor, geochemische Signaturen und Wachstumsmuster von benthischen Foraminiferenschalen als Ersatz für den Fußabdruck des Ausmaßes und der Auswirkungen der Schwermetallbelastung in der Meeresumwelt zu verwenden. Die Schalen von Foraminiferen wachsen durch sequenzielles Hinzufügen von Kammern, was eine zeitlich aufgelöste Aufzeichnung des Verschmutzungsgrads ermöglicht. Das liegt daran, dass die Schalen durch einen Mechanismus ausgefällt werden, der eine direkte Vakuolisierung im Meerwasser beinhaltet, und die Schwermetallkonzentration im ausgefällten Mineral spiegelt somit die chemische Zusammensetzung des Umgebungswassers wider. Unter optimalen Bedingungen ist das Wachstum von Foraminiferenschalen streng geometrisch, aber Stress führt zu Unregelmäßigkeiten, die im Muster der Kammern erhalten bleiben. Somit fungieren Foraminiferen als "lebende Datenlogger", die gleichzeitig den Verschmutzungsgrad und die biotische Reaktion aufzeichnen. Zusammen mit ihrer großen Vielfalt und ihrem Vorkommen in allen marinen Lebensräumen macht dies sie zu einem idealen Kandidaten für die Überwachung historischer und aktueller Verschmutzungen und ihrer Auswirkungen. In dieser Studie werden wir dieses Potenzial erforschen, indem wir die für die Überwachung von Schwermetallkonzentrationen am besten geeigneten Arten identifizieren und untersuchen, wie die aufgezeichneten Verschmutzungsgrade mit Wachstumsunregelmäßigkeiten korrelieren. Wir werden Feld- und Laborexperimente kombinieren, um die Metallkonzentrationen im Meerwasser und im Kalzit von Foraminiferen zu kalibrieren und Verschmutzungsgrade zu ermitteln, die das Wachstum beeinflussen. Das Ergebnis dieser Studie wird ein breit einsetzbarer und quantitativ kalibrierter Rekorder für Schwermetallkonzentrationen und ihre biotischen Auswirkungen in Küstengewässern sein, der es ermöglicht, die Verschmutzungsgeschichte zu rekonstruieren und kurzfristige Schadstoffeinträge zu erkennen, ohne dass eine kostspielige kontinuierliche direkte Überwachung der Wassereigenschaften erforderlich ist.

Mikrofossilien und Datenwissenschaft: ein neuer Ansatz für Rückschlüsse auf die Auswirkungen des globalen Klimas auf die Makroökologie des Planktons

Dr. Flavia Boscolo-Galazzo

1.9.2022 - 31.8.2024

Eine der dringlichsten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit ist das Verständnis des Schicksals unserer Ozeane und Meeresökosysteme im Zuge des Klimawandels. Leider wirken anthropogene Stressfaktoren mit einer Geschwindigkeit und in einem Ausmaß, das die jüngsten natürlichen Schwankungen übersteigt, so dass die Verwendung dekadischer ökologischer Daten und Zeitreihen für Vorhersagen über das künftige Verhalten von Meeresökosystemen nicht ausreicht. MICRO2MACRO wird Momentaufnahmen von pelagischen Meeresökosystemen zwischen 54 und 32 Millionen Jahren (Eozän und frühes Oligozän) rekonstruieren, als Klima- und Umweltbedingungen ungefähr dem entsprachen, was wir im nächsten Jahrhundert und darüber hinaus erleben werden. Unter Verwendung der mikrofossilen Aufzeichnungen planktonischer Foraminiferen (PF), der vollständigsten aller känozoischen Eukaryoten, wird das Projekt den ersten methodisch kontrollierten (und daher reproduzierbaren) globalen Datensatz aus dem frühen Känozoikum zu Ökologie, Abundanz, Artenzusammensetzung, Vielfalt und Biogeografie (Makroökologie) dieser produktiven pelagischen Kalkbildner erstellen. Ich werde die in den letzten 15 Jahren gewonnenen Daten nutzen, um mit Hilfe neuartiger datenwissenschaftlicher Verfahren Datensätze zur Temperatur und Chemie des Ozeans für die untersuchten Zeiträume zu erstellen und sie mit dem neuen PF-Datensatz zu vergleichen, der im Rahmen dieses Projekts erstellt wurde. In dieser Studie werden die fortschrittlichsten Erkenntnisse mehrerer Disziplinen (Mikropaläontologie, Informatik, statistische Ökologie) kombiniert, um Verbindungen zwischen zeitspezifischen Klima- (z. B. Meeresoberflächentemperaturen) und Ökosystemkonfigurationen (z. B. Artenzusammensetzung, vorherrschende Ökologie) zu untersuchen und zu verstehen, wie die Plankton-Biogeografie in einer wärmeren Welt geformt wurde. Daher wird MICRO2MACRO künftige ökologische und evolutionäre Analogien aufzeigen, wenn der derzeitige Klimawandel unterbrochen bleibt und wir auf ähnliche Klimabedingungen wie im Eozän und Oligozän stoßen werden.

Dieses Projekt wurde im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizon 2020“ der Europäischen Union (Marie Sklodowska-Curie IF) unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101019438 gefördert.

Vom letzten Interglazial zum Anthropozän - Modellierung eines kompletten glazialen Zyklus

Dr. Lukas Jonkers

1.10.2019 - 31.8.2026

Das Ziel des PALMOD-Projekts (palmod.de) ist die Simulation eines vollständigen Gletscherzyklus im instationären Modus und mit umfassenden Erdsystemmodellen (ESMs), die vollständige Wechselwirkungen zwischen den physikalischen und biogeochemischen Komponenten des Erdsystems, einschließlich der Eisschilde, ermöglichen. Letztlich geht es darum, mögliche künftige Klimaverläufe über dieses Jahrhundert hinaus in den nächsten Jahrtausenden mit hochentwickelten ESMs abzuschätzen, die sowohl den Klimaverlauf als auch die Variabilität des letzten Eiszeitzyklus realistisch simulieren können.

Im Rahmen dieses Projekts nutzen wir die umfangreichen marinen und terrestrischen Paläoklimasynthesen, um die Dynamik des Klimawandels in den letzten 130.000 Jahren zu charakterisieren, wie sie durch Proxy-Aufzeichnungen aufgezeichnet wurde. Ziel ist es, Benchmarks für die in der vorangegangenen und in der kommenden Phase von PalMod durchgeführten instationären Simulationen zu liefern und Einschränkungen für künftige Vorhersagen abzuleiten, die die Unsicherheiten sowohl in den Daten als auch in den Modellen berücksichtigen. Der zeitliche Schwerpunkt liegt auf den wichtigsten Zeiträumen, für die Simulationen zur Verfügung stehen: Beginn und Ende der Eiszeit und die marine Isotopenstufe 3. Alle drei Perioden sind durch einen abrupten Klimawandel gekennzeichnet. Art und Ursache dieser Schwankungen sind jedoch nach wie vor nur unzureichend bekannt, was die Bewertung von instationären Klimasimulationen erschwert.

Diese unzureichenden Angaben sind zum Teil auf die inhärente Ungewissheit von Paläodaten zurückzuführen, die häufig die Hypothesen einschränkt, die in Studien zum Vergleich von Daten und Modellen erfolgreich untersucht werden können. Viele dieser Unsicherheiten sind multifaktoriell und lassen sich bei großen Datensammlungen nur schwer quantifizieren, da sie mit der Beschaffenheit der Proben selbst zusammenhängen (z. B. Sedimentationsrate, Bioturbation, Erhaltung). Im Gegensatz zu diesen intrinsischen Unsicherheiten lassen sich extrinsische Fehler, wie Datierungs- (Messung und Kalibrierung) und Rekonstruktionsfehler (Modellierung moderner Proxy-Klima-Beziehungen), leichter abschätzen. Obwohl diese Unsicherheiten in den Datenkompilationen von PalMod enthalten waren und Instrumente zur Quantifizierung dieser Unsicherheiten entwickelt wurden, wurden sie in nachfolgenden vergleichenden Studien oft ausgelassen. Dieses Arbeitspaket zielt darauf ab, diese Unsicherheiten auf verschiedene Weise zu berücksichtigen und dabei die Grundlage für die Bewertung von Simulationen in PalMod zu legen.

Darüber hinaus sind Daten-Modell-Vergleiche oft mehrdeutig, da Unterschiede oft nicht eindeutig auf bestimmte klimatische Prozesse zurückgeführt werden können. Unsicherheitsbasierte Modell-Daten-Vergleiche über mehrere Parameter (Temperatur, Isotope) und unter Einbeziehung neuartiger Ansätze (Artenökologie) könnten sowohl die Auswirkungen der Rekonstruktionsunsicherheit verringern als auch die Gründe für Unterschiede in der räumlich-zeitlichen Variabilität zwischen Rekonstruktionen und Simulationen ermitteln. Ein Multi-Parameter-Ansatz ist am besten in Meeresarchiven möglich, wo mehrere Parameter gemeinsam registriert werden. Der Vergleich mehrerer Dimensionen wird auch in Fällen, in denen Simulationen oder Proxies nur geringe Unterschiede entlang eines Parameters aufweisen, Licht auf Prozesse werfen, die für Abweichungen verantwortlich sind. Dieser Ansatz wird es uns ermöglichen, robuste Ergebnisse von Klimamodellen zu ermitteln und die Auswirkungen der Kopplung zu bewerten. Die Einbeziehung der terrestrischen Daten in der zweiten Hälfte dieses Projekts wird eine umfassendere Bewertung der Simulationen ermöglichen und unser Verständnis der Land-Ozean-Dynamik in Zeiten eines abrupten Klimawandels vertiefen.