Biomarker können helfen die vergangene Meereisbedeckung in der Ostsee zu rekonstruieren.

Biomarkers may help to reconstruct past sea ice conditions in the Baltic Sea

Biomarker kann man als chemische Fossilien bezeichnen. Es sind chemische Verbindungen die über Tausende bis Millionen Jahre im (Meeres-)Boden erhalten bleiben, obwohl der Organismus der sie hervorgebracht hat, lange verrottetet ist.
Biomarker in Meeressedimenten können ganz bestimmten Organismen zugeordnet werden und werden zum Beispiel zur Rekonstruktion der Wassertemperatur genutzt. Andere geben wichtige Aufschlüsse über die Verteilung der Meereisbedeckung.

Biomarkers could be described as chemical fossils. They are chemical compounds, which are stable in (ocean) sediments over thousands to millions of year, even though the organisms that produced them are long rotten.
Biomarkers found in marine sediments can be associated with very specific organisms and are used by scientists to reconstruct water temperature. Others provide information on the sea ice extent.

Ein Biomarker für den sich die Wissenschaftler von MSM99 besonders interessieren wird „IP25“ (Ice Proxy with 25 Carbon Atoms) genannt, er wird ausschließlich von bestimmten Algen, genauer gesagt Diatomeen, produziert (Abb. 1). Diese Diatomeen leben ausschließlich in den Kapillargängen an der Unterseite des Meereises, das mit hochsalzigem Wasser gefüllt ist. Sobald das Eis schmilzt, werden die Meereisalgen bzw. die in ihnen enthaltenen Biomarker am Meeresboden abgelagert. Bisher ist IP25 die einzige direkte Methode das Meereis der Vergangenheit zu rekonstruieren.

One biomarker the scientists of MSM 99 Deep Baltic are especially interested in, is called IP25 (Ice Proxy with 25 Carbon Atoms), it is exclusively produced by specific algae, more precisely diatoms (Fig 1). These diatoms live only in the capillaries at the underside of sea ice, which is filled with hyper saline water. When the sea ice melts, the ice algae and the included biomarkers are deposited at the sea floor. So far, IP25 is the only direct method to reconstruct past sea ice changes.

Während der Expedition MSM 99 Deep Baltic werden von den Wissenschaftlern vom Institut für Geowissenschaften Eis- und Sedimentproben gesammelt, um die vergangenen Schwankungen in der Meereisbedeckung der Ostsee zu rekonstruieren (Abb. 2).
Die Eis- und Sedimentkerne, die wir während der Expedition sammeln, werden gefroren bzw. gekühlt nach Kiel transportiert. Dort beginnt im Labor die chemische Aufbereitung um die enthaltenen Biomarker am Massenspektrometer bzw. Gaschromatograph zu bestimmen.

During expedition MSM99 Deep Baltic scientists from the Institute of Geosciences in Kiel collect sea ice and sediment samples to reconstruct changes in the sea ice cover of the Baltic Sea (Fig 2).
The collected sea ice and sediment cores, will be transported frozen or cooled to Kiel. There, the actual work starts with the chemical processing of the samples to analyze the biomarker content with a mass spectrometer and/or gas chromatograph.

Da es noch kaum Untersuchungen zum Meereisbiomarker IP25 in der Ostsee gibt, wird im Labor zuerst untersucht, ob in den Eiskernen IP25 nachzuweisen ist. So kann festgestellt werden, ob die Methode in dieser Region angewendet werden kann. Durch den geringen Salzgehalt der Ostsee kann es sein, dass die Diatomeen, die IP25 produzieren, nicht in der Ostsee vorkommen. Sind sie jedoch vorhanden, kann auch die Meereisbedeckung der Vergangenheit rekonstruiert werden.

So far, there are only very few studies on the sea ice biomarker IP25 from the Baltic Sea. In order to investigate if the IP25 method is applicable in the Baltic Sea, first we will analyze the ice cores, to confirm the presence of the producers of IP25 in Baltic Sea sea ice. Due to the low salinities in the Baltic Sea it is questionable if the diatoms, producing IP25, are present. If we find them, it will be possible to reconstruct changes in sea ice cover of the past Baltic Sea.

Diese Rekonstruktionen sind besonders wichtig, um vergangene Klimaschwankungen in der Ostsee zu erforschen. Frühere Expeditionen mit der Maria S. Merian in die Ostsee (MSM51 und MSM62) haben die Hypothese hervorgebracht, dass während kalter Phasen die Tiefenwasserbildung und somit die Durchlüftung der tiefen Wasserschichten deutlich erhöht und während warmen Klimaphasen reduziert ist (Moros et al., 2020).
Besonders in Hinblick auf die erwartete fortschreitende Klimaerwärmung ist es wichtig diese Zusammenhänge genauer zu untersuchen und zu verstehen. Genaue Meereisrekonstruktionen können helfen diese Hypothese zu untermauern und die Vorhersagen für die Zukunft zu verbessern.

These reconstructions are especially important to get a better understanding of the climate changes in the Baltic Sea. Past expeditions with Maria S. Merian to the Baltic Sea (MSM51 and MSM62) brought up the hypothesis that during cold periods, deep water formation and the oxygenation of the deeper water layers is enhanced while this process is reduced during warmer climate phases (Moros et al., 2020).
Especially in regard to the expected ongoing climate warming it is crucial to gain a better understanding of the interconnection. Exact sea ice reconstructions will help to validate the hypothesis of Moros et al. (2020) and may help to increase the accuracy of future predictions.

References:
Brown, T. A., Belt, S. T., Tatarek, A., & Mundy, C. J. (2014). Source identification of the Arctic sea ice proxy IP 25. Nature Communications, 5(1), 1-7.

Moros, M., Kotilainen, A. T., Snowball, I., Neumann, T., Perner, K., Meier, H. M., … & Schneider, R. (2020). Is ‘deep-water formation’in the Baltic Sea a key to understanding seabed dynamics and ventilation changes over the past 7,000 years?. Quaternary International, 550, 55-65.

Beitrag von Dr. Henriette Kolling, CAU Kiel