Die Ostsee gehört zu den am stärksten belasteten Meeren der Welt. Sinkende Sauerstoffgehalte, wachsende Todeszonen und jahrzehntelange Nährstoffeinträge haben das Ökosystem an seine Grenzen gebracht. Toste Tanhua, Ozeanograph am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel und wissenschaftlicher Leiter hinter sail4oxygen, erforscht genau diese Entwicklungen und misst sie gemeinsam mit uns. Wir haben mit ihm gesprochen über kritische Schwellenwerte, chemische Kettenreaktionen am Meeresboden und die Frage, ob die Ostsee noch zu retten ist.

Wenn wir vom „Sauerstoffgehalt“ sprechen, welcher Schwellenwert ist für das Meeresleben kritisch, und was messen wir eigentlich?

Sauerstoffkonzentration wird in vielen verschiedenen Einheiten gemessen. Wir rechnen diese in die Einheit Mikromol pro Kilogramm Meerwasser um (das macht es formal zu einer Messgröße des „Gehalts“ statt der „Konzentration“), um mit der aktuellen Praxis konsistent zu sein. Sauerstoff löst sich, wie alle Gase, besser in kaltem und weniger salzhaltigem Wasser. Das bedeutet: vollständig gesättigtes Wasser im tropischen Atlantik enthält deutlich weniger Sauerstoff als beispielsweise Oberflächenwasser im Winter in der Ostsee, obwohl beide 100 % gesättigt sind.

Meereslebewesen reagieren auf Konzentration, nicht auf Sättigung. Für das Meeresleben ist daher der Gehalt (die Konzentration) entscheidend. Wenn wir aber den Sauerstoffverbrauch zwischen zwei Positionen vergleichen möchten, ist die Betrachtung der Sättigung nützlich. Eine weitere gebräuchliche Methode ist die „Apparent Oxygen Utilization (AOU)“ , also der scheinbare Sauerstoffverbrauch: das ist schlicht die Differenz zwischen 100 % Sättigung und dem gemessenen Wert.

Meereslebewesen reagieren unterschiedlich auf niedrige Sauerstoffwerte. Das gilt nur für Tiere, die Sauerstoff zum Leben brauchen (wie wir). Schnell schwimmende pelagische Fische (Thunfisch, Mahi-Mahi usw.) benötigen viel Sauerstoff für das schnelle Schwimmen, während andere Tiere in sehr niedrigen Sauerstoffkonzentrationen überleben können, für manche Arten in den Tropen ist es sogar eine Überlebensstrategie, sich in sauerstoffarmen Gewässern vor dem Thunfisch zu „verstecken.“

Es gibt keinen universell gültigen Schwellenwert für „schädlich für das Meeresleben“, das hängt von der Art und ihrem Lebensstadium ab. Üblicherweise bezeichnen wir Sauerstoffgehalte unter 62 µmol/kg als hypoxisch, unter 20 µmol/kg als suboxisch und unter 2 µmol/kg als anoxisch, wobei die Definitionen variieren.

Wie reagieren Fische und Bodenorganismen physiologisch auf sinkende Sauerstoffwerte?

Sie bekommen schlicht nicht mehr genug Sauerstoff, um ihren Zellstoffwechsel aufrechtzuerhalten. Je nach Art und Intensität des Mangels werden sie zur Langsamkeit gezwungen, weichen in andere Gewässer aus oder sterben. 

Welche chemischen Prozesse laufen am Meeresboden ab, wenn der Sauerstoff knapp wird?

Viele chemische Reaktionen verlaufen anders, wenn Sauerstoff fehlt oder knapp ist. Anstatt Sauerstoff zur Oxidation von organischem Material zu nutzen (dem üblichen Weg, biologische Substanz in CO₂ umzuwandeln), wird bei niedrigen Konzentrationen Nitrat verwendet, was bedeutet, dass in anoxischen Gewässern kein Nitrat vorhanden ist. Außerdem neigen anoxische Gewässer dazu, Phosphat aus den Sedimenten freizusetzen (Phosphat wird nicht reduziert). In Situationen mit niedrigen Nitratkonzentrationen, aber verfügbarem Phosphat, bietet sich ein günstiges Umfeld für stickstoffixierende Organismen, wie Cyanobakterien, die wir in der Ostsee in großen Teppichen beobachten können.

Wenn das Nitrat aufgebraucht ist, wird Sulfat genutzt (in Salzwasser als eines der Hauptsalze reichlich vorhanden), und es entsteht Schwefelwasserstoff, ein stinkiges Gas (nach faulen Eiern), das in einigen Teilen der tiefen Ostsee reichlich vorkommt.

Wie gelangen Stickstoff und Phosphor von Feldern im Binnenland bis in die tiefen Becken der zentralen Ostsee?

Alles fließt über Flüsse und Bäche in die Ostsee. Die meisten Gemeinden rund um die Ostsee haben inzwischen Kläranlagen (in manchen Bereichen gibt es noch Verbesserungspotenzial), sodass die Landwirtschaft die Hauptquelle der Nährstoffe ist. Wenn Dünger zu einem ungünstigen Zeitpunkt ausgebracht wird, in zu großen Mengen, oder wenn es stark regnet, kann ein großer Teil des Düngers mit dem Wasser in Richtung Ostsee abgeschwemmt werden. Eine Optimierung von Zeitpunkt und Menge der Düngung wäre sehr hilfreich, ebenso wie die Wiederherstellung von Küstenfeuchtgebieten, die Nährstoffe gut aufnehmen, bevor sie ins Meer gelangen.

Was ist der Zusammenhang zwischen Düngung, Algenblüten und dem daraus resultierenden Sauerstoffverbrauch?

Algen – hier sprechen wir von Phytoplankton, also Pflanzen, die durch Photosynthese organisches Material aus Sonnenlicht erzeugen – benötigen Nährstoffe zum Wachsen (Nitrat, Phosphat, Silikat und einige mehr). Mehr Nährstoffe bedeuten mehr Wachstum. Wenn es also Abschwemmungen von gedüngten Feldern gibt, kann mehr Plankton wachsen. Wenn das Plankton oder das Zooplankton, das das Phytoplankton frisst abstirbt, beginnt es zu sinken. Ein Teil davon sinkt unter die Sprungschicht in das Tiefenwasser. Im Wasser oder auf dem Boden wird das biologische Material durch einen Prozess abgebaut, den wir Oxidation nennen: Der Kohlenstoff, der das organische Material aufbaut, wird in CO₂ umgewandelt eine chemische Reaktion, die Sauerstoff verbraucht.

Welche Rolle spielt die fortschreitende Erwärmung der Meeresoberfläche bei der Sauerstoffverarmung?

Wärmeres Oberflächenwasser ist weniger dicht, wodurch der Dichteunterschied zum Tiefenwasser noch größer wird und die Sauerstoffzufuhr noch geringer ausfällt.

Warum warten wir so sehnsuchtsvoll auf starke Nordseewinde, und warum sind diese „Großen Ostseeeinstrome“ nur eine kurzfristige Lösung?

Bei bestimmten Wetterbedingungen können große Mengen sauerstoffreicher und salziger (also dichter) Wasser durch die Belte in die Ostsee einströmen. Dieses Wasser ist sauerstoffreich, da es zuvor die gut belüftete Nordsee, das Skagerrak und das Kattegat durchlaufen hat. Das ist der natürliche Weg, Sauerstoff in die Ostsee einzubringen. Derzeit ist jedoch der Sauerstoffverbrauch durch den Nährstoffzustrom vom Land, der das Planktonwachstum befeuert, das beim Abbau Sauerstoff verbraucht, stärker als der Sauerstoffeinstrom aus der Nordsee. Das ist zeitlich jedoch sehr variabel. Langfristig ist es entscheidend, den Nährstoffeintrag in die Ostsee zu reduzieren.

Die Dichteschichtung, fast vollständig durch Salinitätsunterschiede bedingt, bildet einen „Deckel“ in der Ostsee, der verhindert, dass sauerstoffreiches Oberflächenwasser in die sauerstoffarmen Tiefenwasser gelangt. Der Gradient hemmt die Durchmischung.

Können sich „Todeszonen“ erholen, oder gibt es einen „Point of no Return“?

Ja, das können sie. Wenn sich viel Schwefelwasserstoff angesammelt hat, dauert es eine Weile. Und der oben beschriebene Kreislauf aus Phosphat und Cyanobakterien macht eine Erholung der Ostsee sehr schwierig.

Welche Becken der Ostsee sind derzeit am stärksten betroffen, und warum sind Tiefbecken besonders gefährdet?

Das Gotlandbecken ist nahezu dauerhaft anoxisch. Das Bornholmbecken oft ebenfalls. Tiefere Bereiche, insbesondere jene, die weit vom Einstrom sauerstoffreicher Wasser durch die Belte entfernt sind, sind stärker gefährdet.

Wenn wir heute mit radikalen Veränderungen in der Landwirtschaft begännen, in welchem Zeitraum wäre ein messbarer Anstieg des Sauerstoffgehalts zu erwarten?

Das ist die Frage aller Fragen. Wahrscheinlich viele Jahrzehnte. Das liegt vor allem am komplexen Gleichgewicht zwischen Produktion (von Plankton), der Phosphatfreisetzung aus den Sedimenten, der Aktivität von Cyanobakterien und anderen Stickstofffixierern. Selbst in einem Szenario, in dem der Nährstoffabschwemm von Feldern nahezu null wäre, wären es höchstwahrscheinlich mehrere Jahrzehnte.

Man sollte bedenken, dass es für die Ostsee auch ohne zusätzliche menschliche Nährstoffeinträge natürlich ist, niedrige oder keine Sauerstoffgehalte zu haben. Es geht um die Häufigkeit anoxischer Ereignisse, ihre räumliche und vertikale Ausdehnung sowie ihre Dauer.

Wenn Daten von vor 20 Jahren mit heute vergleichen werden, was bereitet die größten Sorgen, und wo ist dennoch Anlass zur Hoffnung?

Das Ausmaß der anoxischen Gewässer hat, trotz großer Schwankungen, deutlich zugenommen, und das ist besorgniserregend. Die Nährstoffeinträge in die Ostsee sind zurückgegangen, aber die Rückkopplungsmechanismen verhindern, dass das eine große Wirkung zeigt. Es gibt sehr wenige Bereiche in der Ostsee mit gutem Umweltzustand. Viele Indikatoren verschlechtern sich.

Aber: Wir sehen, wie sich die Bestände einiger früher gefährdeter Arten erholen zumindest in einigen Gebieten. Oft als Folge von Maßnahmen wie der Reduzierung von DDT, PCB und anderen Schadstoffen. Wir sehen mehr Meeresschutzgebiete und beobachten in einigen davon eine Erholung sowie generell positive Effekte, auch wenn sie in der Regel aktiver gemanagt werden müssten.

Das zeigt: Wenn wir uns um die Ostsee kümmern und durch politische Steuerungsprozesse handeln, können wir die Ostsee verbessern und wiederherstellen wenn wir es wollen.

Mit Sail4Oxygen leisten wir unseren Beitrag: Wir liefern Daten, die das Wissen über die Ostsee Messung für Messung erweitern.

Der „State of the Baltic“-Bericht ist sehr empfehlenswert. Und bietet noch mehr Hintergrundwissen zum Zustand unserer Ostsee. Download hier: https://helcom.fi/baltic-sea-trends/holistic-assessments/state-of-the-baltic-sea-2023/

Jannes Llull