Eine neue Studie liefert eine noch nie dagewesene Untersuchung des Sauerstoffverlusts in Korallenriffen rund um den Globus bei Erwärmung der Ozeane. Unter der Leitung von Forschern der UC San Diego’s Scripps Institution of Oceanography und einem großen Team nationaler und internationaler Kollegen erfasst die Studie den aktuellen Zustand der Unterversorgung mit Sauerstoff (Hypoxie) an 32 verschiedenen Standorten und zeigt, dass Hypoxie in vielen Riffen bereits allgegenwärtig ist.

Der allgemeine Rückgang des Sauerstoffgehalts in den Ozeanen und Küstengewässern der Welt – ein Prozess, der als Desoxygenierung der Ozeane bekannt ist – ist gut dokumentiert, aber die Hypoxie in Korallenriffen wurde bisher relativ wenig erforscht. Es wird damit gerechnet, dass der Sauerstoffverlust im Ozean die Meeresökosysteme weltweit bedroht, obwohl mehr Forschung erforderlich ist, um die biologischen Auswirkungen auf tropische Korallen und Korallenriffe besser zu verstehen.

Die Studie, die jetzt in der Fachzeitschrift Nature Climate Change veröffentlicht wurde, ist die erste, die die Sauerstoffverhältnisse in Korallenriff-Ökosystemen in diesem Umfang dokumentiert.

„Diese Studie ist deshalb so einzigartig, weil unser Labor mit einer Reihe von Mitarbeitern zusammengearbeitet hat, um diesen globalen Sauerstoffdatensatz speziell für Korallenriffe zusammenzustellen – niemand hat das bisher auf globaler Ebene mit dieser Anzahl von Datensätzen getan“, sagte der Meereswissenschaftler Ariel Pezner, der jetzt als Postdoktorand an der Smithsonian Marine Station in Florida arbeitet. „Wir waren überrascht, dass viele Korallenriffe unter den derzeitigen Bedingungen bereits unter dem leiden, was wir als Hypoxie definieren würden.

Die Autoren fanden heraus, dass der Sauerstoffgehalt in einigen Riffhabitaten bereits jetzt niedrig ist und sich voraussichtlich noch weiter verschlechtern wird, wenn sich die Meerestemperaturen aufgrund des Klimawandels weiter erwärmen. Anhand von Modellen für vier verschiedene Szenarien des Klimawandels konnten sie außerdem zeigen, dass die prognostizierte Erwärmung der Ozeane und der Sauerstoffmangel die Dauer, Intensität und Schwere der Hypoxie in Korallenriffen bis zum Jahr 2100 deutlich erhöhen werden.

Die Analyse wurde von Pezner während ihrer Doktorandenzeit am Scripps Oceanography Institute durchgeführt, wo sie zusammen mit dem Biogeochemiker Andreas Andersson im Scripps Coastal and Open Ocean BiogeochemistrY Research (SCOOBY) Labor arbeitete.

Pezner und ihre Kollegen nutzten autonome Sensordaten, um die Sauerstoffvariabilität und die Hypoxieexposition an 32 verschiedenen Riffstandorten an 12 Stellen in den Gewässern vor Japan, Hawaii, Panama, Palmyra, Taiwan und anderswo zu untersuchen. Viele der Datensätze wurden mit SeapHOx-Sensoren erfasst, Instrumenten, die ursprünglich vom Labor des Scripps Oceanography-Forschers Todd Martz entwickelt wurden. Diese und andere autonome Sensoren wurden in verschiedenen Lebensräumen von Korallenriffen eingesetzt, wo sie alle 30 Minuten Temperatur, Salzgehalt, pH-Wert und Sauerstoffgehalt maßen.

Das SCOOBY-Labor und seine Partner sammelten die meisten Daten, um die Meerwasserchemie und den Riffstoffwechsel in verschiedenen Korallenriffumgebungen zu charakterisieren. Die internationalen Partner waren maßgeblich an der Erleichterung der Forschungslogistik und des Zugangs zu vielen Studienstandorten beteiligt. Mehrere Teilnehmer stellten auch Daten aus ihren eigenen Studien zur Verfügung. Bei Scripps Oceanography leisteten das Martz Lab, das Smith Lab und das Tresguerres Lab wichtige Beiträge zu dieser Studie.

Historisch gesehen wurde Hypoxie durch einen sehr spezifischen Grenzwert für die Sauerstoffkonzentration im Wasser definiert – weniger als zwei Milligramm Sauerstoff pro Liter – ein Schwellenwert, der in den 1950er Jahren festgelegt wurde. Die Forscher stellen fest, dass ein universeller Schwellenwert möglicherweise nicht für alle Umgebungen, alle Riffe oder alle Ökosysteme gilt, und untersuchten die Möglichkeit von vier verschiedenen Hypoxie-Schwellenwerten: schwache (5 mg/L), leichte (4 mg/L), mittlere (3 mg/L) und schwere Hypoxie (2 mg/L).

Auf der Grundlage dieser Schwellenwerte stellten sie fest, dass mehr als 84 Prozent der Riffe in dieser Studie zu irgendeinem Zeitpunkt während des Erhebungszeitraums eine „schwache bis mäßige“ Hypoxie und 13 Prozent eine „schwere“ Hypoxie aufwiesen.

Drei wissenschaftliche Taucher untersuchen Korallenriffe unter Wasser

Mitglieder des Scripps Oceanography’s SCOOBY Lab überprüfen ein Instrument im Dongsha Atoll im Jahr 2018. Auf dem Bild von links nach rechts: Ariel Pezner, Travis Courtney, und Samuel Kekuewa. Die Forschung an diesem Standort wurde in Zusammenarbeit mit der National Sun Yat-sen University und der National Taiwan Ocean University durchgeführt. Foto: Andreas Andersson
Wie von den Forschern erwartet, war der Sauerstoffgehalt am frühen Morgen an allen Standorten am niedrigsten und am Nachmittag am höchsten, was auf die nächtliche Atmung bzw. die Photosynthese am Tag zurückzuführen ist. Während des Tages, wenn die Primärproduzenten im Riff Sonnenlicht haben, betreiben sie Photosynthese und produzieren Sauerstoff, so Pezner. Nachts jedoch, wenn kein Sonnenlicht vorhanden ist, findet keine Sauerstoffproduktion statt, und alles im Riff atmet – atmet Sauerstoff ein und atmet Kohlendioxid aus -, was zu einer sauerstoffärmeren Umgebung und manchmal sogar zu einer Hypoxie führt.

Dies sei ein normaler Prozess, so Andersson, der Erstautor der Studie. Wenn jedoch die Temperatur des Ozeans steigt, kann das Meerwasser weniger Sauerstoff aufnehmen, während der biologische Bedarf an Sauerstoff steigt, was die nächtliche Hypoxie noch verschlimmert.

„Stellen Sie sich vor, Sie sind an die Bedingungen auf Meereshöhe gewöhnt und müssen dann jede Nacht irgendwo in den Rocky Mountains schlafen gehen, wo die Luft weniger Sauerstoff enthält. Das ist ähnlich wie das, was diese Korallen nachts und am frühen Morgen erleben, wenn sie unter Hypoxie leiden“, so Andersson. „Und wenn sich die Dauer und Intensität dieser hypoxischen Ereignisse in Zukunft verschlimmert, dann könnte es so sein, als würde man jede Nacht auf dem Mount Everest schlafen“.

Eine neue Studie unter der Leitung von Scripps Oceanography-Wissenschaftlern, Absolventen und Kollegen bietet eine beispiellose Untersuchung des Sauerstoffverlusts in Korallenriffen rund um den Globus bei Erwärmung der Ozeane.
Die Forscher fanden heraus, dass mit dem weiteren Anstieg der globalen Temperaturen und den häufigeren und heftigeren Hitzewellen in den Meeren sauerstoffarme Bedingungen in den Korallenriffen wahrscheinlich immer häufiger auftreten werden. Anhand von Prognosen, die von Klimamodellen übernommen wurden, berechnete das Team, dass bis zum Jahr 2100 die Gesamtzahl der hypoxischen Beobachtungen an diesen Riffen unter allen Erwärmungsszenarien zunehmen wird, und zwar von einer Zunahme von 13 bis 42 Prozent unter einem Szenario bis zu 97 bis 287 Prozent unter einem extremeren Szenario im Vergleich zu heute.

Die Forscher erklärten, dass fortgesetzte und zusätzliche Sauerstoffmessungen an Korallenriffen über verschiedene Jahreszeiten und längere Zeiträume hinweg „unbedingt erforderlich“ sind, um die Ausgangsbedingungen zu ermitteln, potenzielle hypoxische Ereignisse zu verfolgen und künftige Auswirkungen auf die Ökologie, Gesundheit und Funktion der Riffe besser vorherzusagen.

„Die Ausgangssauerstoffbedingungen waren in unseren Riffhabitaten sehr unterschiedlich, was darauf hindeutet, dass eine einheitliche Definition von ‚Hypoxie‘ möglicherweise nicht für alle Umgebungen sinnvoll ist“, so Pezner. „Die Bestimmung der relevanten Schwellenwerte wird in Zukunft wichtig sein, um Vorhersagen darüber zu treffen, wie sich Riffe unter Erwärmung und Sauerstoffverlust verändern könnten“.

Diese Forschung wurde hauptsächlich von der National Science Foundation finanziert, und Pezners Studium wurde durch das National Science Foundation Graduate Research Fellowship und einen Philanthropic Educational Organization (P.E.O.) International Scholar Award unterstützt.

An dieser Studie waren insgesamt 22 Autoren beteiligt, die 14 verschiedene Forschungsorganisationen und Universitäten vertraten, darunter die UC San Diego, die Universität von Puerto Rico in Mayagüez, das NOAA Pacific Islands Fisheries Science Center, die National Taiwan Ocean University, die Georgia Southern University, die University of Montana, das Smithsonian Tropical Research Institute, die National Sun Yat-sen University, das Okinawa Institute of Science and Technology, die Sea Education Association, das Monterey Bay Aquarium Research Institute, die National Taiwan University und die U.S. Geological Survey.