Störungsfreie Sauerstoffmessungen in Tiefseesediment mit sauerstoffempfindlichen Folien

Tiefseesedimente enthalten organischen Kohlenstoff, dessen Zersetzung durch Mikroorganismen den Sauerstoffgehalt des sedimentären Porenwassers herabsetzt. In den meisten marinen Sedimenten wird im Wesentlichen der gesamte Sauerstoff innerhalb der oberen 20 cm der Sedimentsäule verbraucht. Dieser Gradient im Porenwasser-Sauerstoffgehalt verursacht viele interessante Reaktionen der Ionendiffusion im Porenwasser, in einem kleinen Abschnitt der Sedimentsäule. Das Öffnen des Sedimentkerns für O₂-Messungen kann jedoch zu einer Verunreinigung mit atmosphärischem O₂ führen, wodurch die Messungen beeinträchtigt werden. In dieser Studie haben wir das Innere eines transparenten, 60 cm langen Kernrohres mit sauerstoffempfindlicher Folie versehen, um den O₂-Gehalt der Grenzfläche und des Porenwassers unmittelbar nach der Bergung des Kerns an Deck des Forschungsschiffes zu messen. Diese Methode erlaubt eine schnelle und störungsfreie Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Porenwasser.

Wir haben einen 60 cm langen, transparenten Kunststoffzylinder aus einem 12-Kerne-Multicorer (MUC) auf der Innenseite mir sauerstoffempfindlicher Folie versehen. Wir benutzten drei 20 cm lange Folienstreifen und befestigten sie mehr als einen Tag vor Gebrauch mit Silikonkleber an der Zylinderwand. Dabei achteten wir darauf, dass die einzelnen Streifen sich überlappende Kernabstände von jeweils etwa 2 cm bedeckten. Während der Fahrt M151 des Forschungsschiffes Meteor im zentralen Nordatlantik wurden zwei MUC Stationen in einer Wassertiefe von 1,5 und 2,7 km Wassertiefe erfolgreich durchgeführt, wobei 11 und 8 cm Sediment geborgen werden konnten. Es wurde davon ausgegangen, dass der Salzgehalt des Porenwassers und die Temperatur für die Messeinstellungen den zuvor für das Meeresbodenwasser mit einer CTD-Sonde (conductivity-temperature-depth) gemessenen Werten entsprechen. Beim ersten Sedimentkern wurde Sauerstoff zweimal im Labor gemessen, nachdem der Kern oben und unten mit Gummistopfen verschlossen worden war. Im zweiten Sedimentkern wurde unmittelbar nachdem der Multicorer an Deck gesichert worden war gemessen, noch bevor irgendwelche Veränderungen daran vorgenommen wurden. Die Messung wurde nochmals im Labor wiederholt, nachdem der Kern aus der Vorrichtung entfernt und mit Gummistopfen verschlossen worden war. Die Messungen wurden mit einem OXY-1 SMA Sauerstoffmessgerät mit einer optischen Faser durchgeführt, wobei die Tiefe mit einem Maßband von der Sedimentoberfläche aus gemessen wurde.

Der Sedimentkern MUC1 wurde aus dem Multicorer-Rahmen entnommen und mit Gummistopfen versiegelt bevor der Porenwasser-Sauerstoffgehalt im Labor des Schiffes gemessen wurde. Zwei Messungen im Abstand von etwa 10 Minuten zeigen eine hervorragende Reproduzierbarkeit, mit Ausnahme eines Ausreißer-Wertes bei 4 cm Tiefe. Die Messungen zeigen, dass der Boden des Sedimentkerns bei der Entnahme des Kernrohres aus dem Corer-Rahmen mit atmosphärischem Sauerstoff kontaminiert worden war, bevor die Gummistopfen angebracht werden konnten. Daher wurde der Kern MUC2 direkt an Deck gemessen, noch bevor er aus dem Multicorer entnommen und Luft ausgesetzt worden war. Die Ergebnisse zeigen, dass mit dieser Methode eine Kontamination verhindert werden konnte. Leider waren beide Sedimentkerne zu kurz und zu gut mit Sauerstoff angereichert um anoxische Sedimentschichten zu gewinnen, aber der steile Sauerstoffgradient zeigt bereits wie effizient Mikroben den Sauerstoff verbrauchen, der aus dem Bodenwasser in das Sediment diffundiert.

Das Ausstatten eines transparenten Kernrohres mit sauerstoffempfindlicher Folie zur störungsfreien Messung des Porenwasser-Sauerstoffgehalts hat sehr gut, einfach und schnell funktioniert. So konnten wir wertvolle Informationen direkt nach der Bergung des Sedimentkerns erhalten um damit weitere Probennahmen, den Umgang mit den Sedimenten und die Zeit an Bord zu planen. Die Folie schien nicht durch den hohen Druck und die Tiefseeumgebung beeinträchtigt worden zu sein und hatte auch keinen Schaden durch das Einführen des Kernrohres in das Sediment erlitten, d. h. sie hat sich nicht abgelöst und ist nicht gerissen.
Der komplizierteste Teil der Anwendung bestand darin, die drei Folienstreifen an der Innenwand des Kernrohres zu befestigen ohne Kleber über den ganzen Streifen zu verteilen, was womöglich deren Funktionalität beeinträchtigt hätte. Ein speziell entworfener Kunststoffstab könnte helfen, dei Streifen auf der glatten Oberfläche zu befestigen, ohne zu verrutschen. Während der Messung ist es außerdem wichtig, die optische Faser in die Mitte der sauerstoffempfindlichen Folie zu richten. Ein einfaches Zubehörteil für die horizontale Fixierung, wie der Adapter for Round Containers ARC von PreSens kann für eine einfachere Messung hilfreich sein. Alternativ könnte auch ein Mikromanipulator zur genauen Positionierung der Faser verwendet werden, es müsste aber erst geprüft werden, ob seine Anwendung an Deck des Forschungsschiffes überhaupt möglich wäre.
Die Temperatur des Porenwassers und der sauerstoffempfindlichen Folien birgt letztendlich die größten Unsicherheiten. Die Kombination der Sauerstoffsonde mit optischen Temperaturmesswerten wäre für diese Art der Anwendung wünschenswert, da die Verwendung einer Temperatursonde zur Messung an der glatten äußeren Oberfläche des Kernrohres nicht praktikabel ist. Optische Temperaturmessung würde eine direkte Temperaturkompensation ermöglichen, vorausgesetzt, die sauerstoffempfindliche Folie und das Porenwasser haben dieselbe Temperatur wie der Kernzylinder, und würde somit auch die Genauigkeit der Sauerstoffmessungen verbessern.
Das gleiche Verfahren könnte auch mit kleineren, runden Sauerstoff-Sensorspots durchgeführt werden, anstatt mit Sensorstreifen. Die Vorteile dabei wären geringere Kosten, und dass man die Sensoren genauer in verschiedenen Tiefen positionieren könnte. Dafür hat man eine geringere Tiefenauflösung.
Darüber hinaus wurde diese Methode auch mit einem "Push Core" getestet - einem kleinen, 20 cm langen transparenten Kernrohr, das direkt mit einem ferngesteuerten Tauchgerät (ROV) in das Sediment geschoben werden kann. Leider war das ROV während der Fahrt M151 nicht auf Sedimente gestoßen, die sich für das Push-Coring eignen, aber die Anwendung scheint generell sehr vielversprechend.

Danksagung
Wir möchten uns beim wissenschaftlichen Leiter Prof. Norbert Frank, sowie dem Kapitän und der Mannschaft des Forschungsschiffes Meteor für die Gelegenheit bedanken, diese Methode auf der Fahr M151 im Oktober 2018 testen zu können.