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Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Dient sie zum Schutz gegen Fressfeinde und Pathogene?

Coccolithophoriden sind eine Gruppe von ca. 200-300 marinen Phytoplanktonarten, die in allen Weltmeeren vorkommt. Sie besitzen die besondere Fähigkeit eine Kalkschale (Coccosphäre) zu bauen, die sie aus vielen kleinen Kalkplättchen (Coccolithen) zusammensetzen. Aufgrund ihrer Fähigkeit zu kalzifizieren sind sie ein wichtiger Bestandteil im Klimasystem, denn die Produktion von Kalk nahe der Meeresoberfläche führt zu einem vertikalen Gradienten der Seewasseralkalinität, beschleunigt den Kohlenstoffexport in die Tiefsee und erhöht die Rückstrahlung von einfallender Sonnenenergie von der Erdoberfläche ins Weltall. Trotz intensiver Forschung an der Physiologie der Kalzifizierung und dessen biogeochemischer Relevanz konnten wir eine der entscheidenden Fragen immer noch nicht beantworten: Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Die Beantwortung dieser Frage ist von außerordentlicher Bedeutung, denn solange wir nicht wissen wozu die Kalkschale dient können wir auch nicht vorraussagen in welchem Maße sich die durch die Ozeanversauerung zu erwartende Abnhame in der Kalzifizierung negativ auf die Fitness dieser Lebewesen in ihrem natürlichen Lebensraum auswirkt. In dem hier vorgestellten Projekt möchten wir die Frage nach der Bedeutung der Kalzifizierung erforschen, indem wir untersuchen ob die Coccosphäre einen Schutz gegen planktonische Räuber, Bakterien und Viren darstellt. Dazu haben wir eigens einen experimentellen Ansatz entwickelt wobei kalzifizierte und dekalzifizierte Coccolithophoridentzellen zusammen mit deren Fressfeinden und Pathogenen kultiviert werden. Dieser Ansatz erlaubt es uns folgende Fragestellungen zu untersuchen: 1) Sind kalzifizierte Zellen besser in der Lage sich gegen Fraß und Infektion zu schützen als Zellen ohne Coccosphäre? 2) Bevorzugen Fressfeinde und Pathogene solche Zellen, bei denen die Coccosphäre entfernt wurde, wenn ihnen beides angeboten wird? 3) Sind Wachstum und Reproduktion von Fressfeinden und Pathogenen verlangsamt, wenn sie kalzifizierte Zellen fressen oder infizieren?

Surface measurements of phytoplankton abundance, biomass, cell size and species diversity in the East Frisian Wadden Sea in 2020-2024

The Lower Saxony Water Management, Coastal and Nature Protection Agency regularly monitors the abundance, biomass, cell size and species composition of phytoplankton species in the East Frisian Wadden Sea. A total of 5 stations are sampled from a monthly to weekly frequency, either throughout the whole year or from March to October. Samples are taken at the surface using a bucket, and kept in 5L canisters to be stored in the cold and dark until subsequent fixation with Lugol's iodine solution and later microscopic analysis. An inverted microscope was used to identify and analyze phytoplankton samples following Utermöhl (1958). The unaccepted or original names of species are given in the 'Species UID' variable, and the accepted identifications are given in the 'Species' variable. The data provides a detailed time series of phytoplankton abundance, biomass, cell size and species composition from 2020 to 2025 in the East Frisian Wadden Sea surface waters.

Coastal Atmosphere & Sea Time Series (CoASTS) and Bio-Optical mapping of Marine optical Properties (BiOMaP): the near- surface marine bio-optical data

The CoASTS-BiOMaP data set comprises in situ near-surface inherent (e.g., absorption, scattering and backscattering coefficient s) and apparent (e.g., normalized-water leaving radiance and the corresponding remote sensing reflectance) optical properties of relevance for satellite ocean colour applications. The data were produced through the Coastal Atmosphere & Sea Time Series (CoASTS) and the Bio-Optical mapping of Marine optical Properties (BiOMaP) measurement programs implemented by the Marine Optical Laboratory of the Joint Research Center (JRC) in collaboration with a number of European institutions. Common to both CoASTS and BiOMaP is the standardization of instruments, measurement methods, quality control schemes and processing codes to enforce temporal and spatial consistency to data products. CoASTS measurements comprise 125 field campaigns and 637 stations performed from December 1998 up to March 2016 benefitting of the Acqua Alta Oceanographic Tower (AAOT) in the northern Adriatic Sea to generate time series data at a fixed coastal site. CoASTS data exhibit occurrence of waters with optical properties largely determined by phytoplankton, as well as diverse concentrations of suspended particulate matter (SPM) and of coloured organic matter (CDOM). BiOMaP measurements comprise 36 bio-optical oceanographic campaigns and 1915 stations performed between July 2000 and May 2022 using a variety of oceanographic vessels to produce spatially distributed data across various European Seas. BiOMaP measurement regions include: the Baltic Sea exhibiting waters dominated by a high concentration of CDOM; the Adriatic Sea, Black Sea, North Sea (comprising the English Channel), Ligurian Sea, Iberian Shelf and the Greenland Sea, characterized by a variety of optically complex waters determined by diverse concentrations of CDOM and SPM; the Eastern and Western Mediterranean oligotrophic and mesotrophic Seas.

Surface measurements of nutrient concentrations and other physico-chemical parameters in the East Frisian Wadden Sea from 2019 to 2022

The Lower Saxony Water Management, Coastal and Nature Protection Agency regularly monitors nutrient concentrations (including silicates, nitrate, and phosphate) and other physico-chemical parameters such as temperature and salinity in the East Frisian Wadden Sea. This dataset provides detailed data on physical and chemical properties in the East Frisian Wadden Sea surface waters from 2019 to 2022. A total of 17 stations are sampled from a monthly to weekly frequency. Water samples are taken at the surface with a bucket, and kept in 5L canisters to be stored in the cold and dark until analysis. The analysis of nutrients followed the procedures for seawater analysis given by Grasshoff et al. (1976). Dissolved nutrients, such as orthophosphate, nitrate, nitrite and silicate, were measured photometrically. Total nitrogen and phosphorus concentration were estimated by digesting total nutrients using heat and pressure, or in microwave with peroxodisulfate. The pH, salinity, and temperature were measured using a multisensor.

Vergangene und zukünftige Entwicklung der Eismassen auf Svalbard - Klimaantrieb und Telekonnektionen

Der Klimawandel ist eine der Hauptherausforderungen für die Menschheit im 21. Jahrhundert. Seine Auswirkungen sind vielschichtig wobei der anwachsende Massenverlust von Gletschern außerhalb der großen Eisschilde sowie deren bedeutender Beitrag zum Meeresspiegelanstieg zu den am stärksten hervorstechenden zählt. Diesbezüglich sind die Gletscher und Eiskappen der Arktis aufgrund ihres großen Volumens und ihrer großen Oberfläche, die als Kontaktfläche zum Klima- und Ozeanantrieb und damit zum Klimawandel selber fungiert, von besonderer Bedeutung. Da die Arktis darüber hinaus diejenige Region der Erde mit dem höchsten, prognostizierten, zukünftigen Temperaturanstieg ist, wird erwartet, daß sich die Bedeutung der arktischen Eismassen für den Meeresspiegelanstieg auch in Zukunft fortsetzt oder sogar noch steigern wird.Die großen Gletscher der Nordpolarregion umgeben den arktischen Ozean in ähnlichen Breitenlagen, weisen aber in jüngster Zeit ein inhomogenes Verhalten auf. Diese Tatsache legt eine räumliche Variabilität der klimatischen und ozeanischen Antriebsmechanismen der Gletschermassenbilanz innerhalb der zirkumarktischen Regionen nahe und offenbart damit die Diversität der Einflüsse des Klimawandels. Bezüglich der Variabilität der Antriebsmechanismen weist Svalbard in der Arktis eine einzigartige Lage auf. Es liegt an der Grenze zwischen kalten, polaren Luftmassen und Ozeanwassern und den Einflüssen des Westspitzbergenstroms, welcher der hauptsächliche Warmwasserlieferant für das arktische Umweltsystem ist. Darum verspricht das Erforschen der Reaktionen der Gletscher auf Svalbard auf die Veränderlichkeit des Klima- und Ozeanantriebs bedeutende Einblicke in die komplexe Kausalkette zwischen Klimawandel, der Variabilität der Klima- und Ozeanbedingungen in der Arktis und der Reaktion der arktischen Landeismassen. Das Ziel des Projektes ist es eine zuverlässige Abschätzung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der klimatischen Massenbilanz aller Gletscher und Eiskappen auf Svalbard zu erreichen und diese mit dem Klima- und Ozeanantrieb in Verbindung zu setzen. Dazu wird ein räumlich verteiltes, von statistisch downgescalten Klimadaten angetriebenes Model zur Berechnung der klimatischen Massenbilanz aufgesetzt. Die Massenbilanz aller Gletscherflächen auf Svalbard wird für den Zeitraum 1948-2013 modelliert und die zeitlich variablen Felder von Ablation, Akkumulation, wiedergefrorenem Schmelzwasser und klimatischer Massenbilanz für anschließende geostatistische Studien genutzt. Diese Studien werden potentielle Einflüsse der raumzeitlichen Variabilität von großräumigen Mustern des Luftdrucks, der Meereisbedeckung und der Meeresoberflächentemperatur auf die Variabilität der Gletschermassenbilanz auf Svalbard identifizieren und analysieren. Auch Telekonnektionen zu fernen Modi der atmosphärischen Zirkulation werden durch Studien bezüglich der potentiellen Einflüsse verschiedener atmosphärischer Zirkulationsindizes in die Betrachtungen einbezogen.

Impuls- und Energieflüsse in Gegenwart von oberflächenaktiven Substanzen

Unsere Motivation basiert auf der Tatsache, dass bei schwachen bis mäßigen Windgeschwindigkeiten die gekoppelten viskosen Luft-Wasser-Schichten auf beiden Seiten der Mikroschickt an der Wasseroberfläche (surface microlayer, SML) den Großteil der Windspannung tragen, die wiederum stark von den Oberflächenwellen moduliert wird. Dynamische Prozesse auf Skalen von Millimetern bis wenigen Zentimetern werden durch den Windstress angetrieben und sind von zentraler Bedeutung für ein tiefes Verständnis der SML-Dynamik und der Austauschprozesse zwischen Ozean und Atmosphäre. Wenn monomolekulare Oberflächenfilme an der Meeresoberfläche (marine Monolayers) die (mehrschichtige/ Mikrometer-) SML bedecken, dämpfen sie kleinskalige Oberflächenwellen, wodurch diese Austauschprozesse beeinflusst werden. Während die allgemeine Wirkung von Monolayern auf die kleinskalige Oberflächenrauheit, auf den Windstress und auf Gasflüsse grundsätzlich bekannt ist, fehlt es noch an Wissen über ihren Einfluss auf Prozesse, die auf sehr kleinen Längenskalen in der Größenordnung von Millimetern und darunter ablaufen. Im Teilprojekt 2.2 der Forschungsgruppe BASS werden wir diese Lücke durch eine Reihe von Laborexperimenten am Windwellenkanal der Universität Hamburg schließen, in denen modernste Beobachtungstechniken einen bisher nicht erreichten Einblick in kleinskalige Dynamiken innerhalb der SML und ihrer unmittelbare Umgebung liefern werden. Die Relevanz für die Forschungsgruppe BASS ergibt sich aus der Untersuchung von Transport-, Akkumulations- und Austauschprozessen innerhalb der SML, die hauptsächlich von kleinskaligen Dynamiken an der Meeresoberfläche getrieben werden und somit von ihnen abhängen. Um diese Prozesse zu verstehen, ist eine gründliche Kenntnis der kleinräumigen Oberflächenwellen- und oberflächennahen Strömungsfelder sowie der Turbulenzmuster sowohl ober- als auch unterhalb der (dynamischen) Wasseroberfläche erforderlich. Ihre Untersuchung erfordert Messungen auf räumlichen Skalen im Millimeterbereich und darunter, sowie Experimente unter kontrollierten (Wind- und Wellen-) Bedingungen, die nur in Laboreinrichtungen wie dem Windwellenkanal der Universität Hamburg möglich sind. Innerhalb dieses Teilprojekts werden wir kleinräumige (cm bis sub-mm) physikalische Prozesse an der rauen Luft-Wasser-Grenzfläche untersuchen, die von anderen Teilprojekten untersuchte Austauschprozesse modulieren und kontrollieren, und die durch monomolekulare Oberflächenfilme verändert werden, die häufig in Küstengewässern anzutreffen sind.

High-resolution measurements of essential climate variables in the North Sea from the autonomous surface vehicle HALOBATES during RV Heincke cruise HE614

The autonomous surface vehicle HALOBATES measured Essential Climate Variables (ECV), such as sea surface temperature (SST) and salinity (SSS), during the RV Heincke cruise HE614 in the German Bight. HALOBATES captured the SST and SSS at seven depths with a high vertical resolution of about 10 cm, from the near-surface layer (NSL) (between 30 and 100 cm) and the sea surface microlayer (SML) (upper millimeter). Conductivity, temperature, and depth (CTD) sensors measured temperature and conductivity (for salinity calculation) via a flow-through system on HALOBATES. Additional temperature sensors were mounted underneath the catamaran to measure in-situ temperature in situ at six depths in the NSL. Salinity was corrected with discrete water samples to remove biases between the sensors. Two data loggers with several meteorological stations on the catamaran captured important weather variables during operation time. The surfactant concentration was measured from discrete samples of SML and 100 cm depth. HALOBATES was operated between 01 March 2023 and 22 March 2023.

Environmental parameters, including dissolved organic carbon and molecular indices derived from ultra-high-resolution mass spectrometry (FT-ICR-MS) and infrared spectroscopy (ATR-FTIR)

We studied dissolved organic matter (DOM) dynamics in the sea surface microlayer (SML) during a multidisciplinary mesocosm study at the Sea sURface Facility (SURF) of the Institute for Chemistry and Biology of the Marine Environment (ICBM) in Wilhelmshaven, Germany (53.5148 °N, 8.1463 °E). The study was conducted from 18 May to 16 June 2023 as part of the BASS research unit (Biogeochemical processes and Air-sea exchange in the Sea-Surface microlayer). This dataset contains environmental data, including dissolved organic carbon (DOC), dissolved organic nitrogen (DON) and DOM molecular indices (MLBwL, Ibio, Iphoto, IDEG) calculated from ultrahigh-resolution mass spectrometry data (Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometer, FT-ICR-MS). Furthermore, we present attenuated total reflectance Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) data from representative samples for each bloom phase. General metadata from the multidisciplinary mesocosm study, including temperature, salinity and chlorophyll a, are provided in Bibi et al. on PANGAEA at the following link: doi:10.1594/PANGAEA.984101.

Effects of acute ocean acidification on spatially-diverse polar pelagic foodwebs:Insights from on-deck microcosms

The polar oceans are experiencing some of the largest levels of ocean acidification (OA) resulting from the uptake of anthropogenic carbon dioxide (CO2). Our understanding of the impacts this is having on polar marine communities is mainly derived from studies of single species in laboratory conditions, while the consequences for food web interactions remain largely unknown. This study carried out experimental manipulations of natural pelagic communities at different high latitude sites in both the northern (Nordic Seas) and southern hemispheres (Scotia and Weddell Seas). The aim of this study was to identify more generic responses and greater experimental reproducibility through implementing a series of short term (4 day), multilevel (3 treatment) carbonate chemistry manipulation experiments on unfiltered natural surface ocean communities, including grazing copepods. The experiments were successfully executed at six different sites, covering a diverse range of environmental conditions and differing plankton community compositions. The study identified the interaction between copepods and dinoflagellate cell abundance to be significantly altered by elevated levels of dissolved CO2 (pCO2), with dinoflagellates decreasing relative to ambient conditions across all six experiments. A similar pattern was not observed in any other major phytoplankton group. The patterns indicate that copepods show a stronger preference for dinoflagellates when in elevated pCO2 conditions, demonstrating that changes in food quality and altered grazing selectivity may be a major consequence of ocean acidification. The study also found that transparent exopolymeric particles (TEP) generally increased when pCO2 levels were elevated, but the response was dependent on the exact set of environmental conditions. Bacteria and nannoplankton showed a neutral response to elevated pCO2 and there was no significant relationship between changes in bacterial or nannoplankton abundance and that of TEP concentrations. Overall, the study illustrated that, although some similar responses exist, these contrasting high latitude surface ocean communities are likely to show different responses to the onset of elevated pCO2.

Dissolved organic matter composition in the sea surface microlayer during a Mesocosm study in Wilhelmshaven, Germany (FT-ICR-MS and ATR-FTIR), spring 2023

We studied dissolved organic matter (DOM) dynamics in the sea surface microlayer (SML) during a mesocosm study at the Sea sURface Facility (SURF) of the Institute for Chemistry and Biology of the Marine Environment (ICBM) in Wilhelmshaven, Germany (53.5148 °N, 8.1463 °E). The study was conducted from 18 May to 16 June 2023 as part of the multidisciplinary BASS research unit (Biogeochemical processes and Air-sea exchange in the Sea-Surface microlayer). SURF was filled with pretreated natural seawater from the nearby Jade Bay (53° 28' 42'' N, 8° 12' 15'' E) to replicate natural conditions. We selected this approach to examine the regrowth of surviving phytoplankton cells after the initial water treatments, simulating a native microbial community starting with almost no bioproduction or pre-existing bioproduction products. To induce and maintain the phytoplankton bloom, inorganic nitrogen, phosphorus, and silicate were added on May 26, May 31, and June 01, 2023. By that, we induced an algal bloom of Emiliania huxleyi and Cylindrotheca closterium. Water samples were collected using a glass plate for the SML and a tube at 40 cm depth for the underlying water (ULW). This dataset contains DOM molecular data from ultrahigh-resolution mass spectrometry (Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometer, FT-ICR-MS), molecular indices calculated from FT-ICR-MS data (Ibio, Iphoto, IDEG) and environmental data, including dissolved organic carbon (DOC) and dissolved organic nitrogen (DON). Furthermore, it contains attenuated total reflectance Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) data from representative samples for each bloom phase. By combining molecular analyses with nutrient and bloom-phase data, we highlight the in situ production of carbohydrate-like and laminarin-derived DOM as a significant contributor to SML composition. General metadata from the multidisciplinary mesocosm study, including temperature, salinity and chlorophyll a, are provided in Bibi et al. on PANGAEA at the following link: doi:10.1594/PANGAEA.984101.

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