1.2 Mikroalgen

Die auffälligste Gruppe der mikrobiellen Meereisgemeinschaft sind die einzelligen Mikroalgen, die Eisalgen. Sie verleihen dem Meereis oft eine charakteristische bräunlich-grüne Färbung. Die Eisalgen, als autotrophe Organismen, spielen eine wichtige Rolle für die marine Ökologie in beiden Polarregionen. Autotrophe Organismen sind Lebewesen, die ihre Baustoffe (und organischen Reservestoffe) ausschließlich aus anorganischen Stoffen aufbauen. Sie können mit Licht aus den in ihrer Umgebung vorhandenen Stoffen ihre eigene Nahrung herstellen (Photosynthese). Auch wenn die Primärproduktion durch die Photosynthese der Eisalgen verglichen mit ihrem Pendant, der des Phytoplanktons, gering ist, stellen sie in Regionen, die vom Eis bedeckt sind, oft die wichtigste Quelle dar, die Kohlenstoff für die höheren trophischen Level fixiert (Arrigo, 2017). Jedoch zeigen neue Studien, dass Untereisblüten des Phytoplanktons ein recht häufiges Phänomen in der Arktis sind (Ardyna et al., 2020).

Im Meereis sind erstaunlich viele Algenarten beheimatet. Je nach Temperatur, Salinität, den Lichtverhältnissen und dem Nährstoffangebot findet man an verschiedenen Orten und zu unterschiedlichen Zeiten andere Arten von Algen. In der Regel herrschen jene Arten vor, die an die jeweiligen Bedingungen am besten angepasst sind. Unabhängig davon machen Kieselalgen (Diatomeen) den größten Teil der Eisalgen aus (> 90 %). Die Diatomeengemeinschaften im Meereis umfassen wahrscheinlich mehr als 500 Arten. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass die Artenvielfalt in der Arktis größer als in der Antarktis ist.

Viele Arten in der Arktis gehören den einzelligen Gattungen Fragilaria, Cylindrotheca und Achnanthes an. Eine weitere wichtige Art ist die Kieselalge Nitzchia frigida, die als häufigste und beständigste Art die ganze Saison über ein Schlüsselorganismus im einjährigen Eis der Arktis ist. In der Antarktis gehören zu den bedeutenden Bewohnern des einjährigen Eises die großen Arten Amphiprora, Pinnularia, Pleurosigma, Synedra und Tropidoneis. Thalassiosira, Porosira und Chaetoceros sind runde Kieselalgen, die auch im Meereis vorkommen und im neugebildeten Meereis oder Plättcheneis der Antarktis dominieren. Viele Diatomeenarten bilden Zellverbände aus aneinander geketteten einzelnen Zellen. Manche Kieselalgenarten erzeugen sogar große Ansammlungen, die Zentimeter oder gar einige Meter von der Unterseite des Meereises ins Meerwasser hinabhängen. In der Arktis ist dies die Art Melosira arctica. In der Antarktis ist die häufigste Fäden-bildende Gattung Berkeleya, deren Fäden eine Länge von bis zu 15 Zentimeter unter dem Eis erreichen kann. Neben den Kieselalgen kommen auch Flagellaten im Meereis beider Polargebiete vor. Dabei handelt es sich um Einzeller, die Peitschen-ähnliche Anhänge für die Fortbewegung besitzen. Dazu zählen Prymnesiophyten, Dinoflagellaten Prasinophyten, Chlorophyten (Grünalgen), Silicoflagellaten, Chrysophyten und Cryptophyten (Arrigo, 2017).

Vorkommen und Verbreitung

Die Algenbiomasse kann sehr ungleichmäßig verteilt sein, weil sie von verschiedenen Faktoren wie Temperatur, Salinität, Licht und Nährstoffverfügbarkeit beeinflusst wird. Eisalgen wachsen besonders gut dort, wo das Meereis eng an den darunterliegenden Ozean gekoppelt ist, weil einer der wichtigsten Faktoren, die das Wachstum der Eisalgen beeinflusst, die Nährstoffe sind die vom Ozean beständig nachgeliefert werden. Eine ebenso große Rolle spielt darüber hinaus das Lichtangebot, das sehr variabel sein kann. Schnee oder dicke Eisschichten schwächen die Lichttransmission im Eis. An anderen Stellen schieben sich Eisschichten übereinander, was den Lichteinfall ebenfalls verringert. In der Arktis wird die Salinität des Meerwassers auch durch die Flüsse vom Festland beeinflusst, die Süßwasser ins Meer transportieren. Die Salinität im Meereis wiederum hängt wesentlich von der Temperatur und dem Alter des Eises ab und weniger von der Salinität des Meerwassers, aus dem es gebildet wird. Es geht dabei vor allem darum, wie viel Sole das Eis verlassen hat und ob es z. B. Flutungen durch Meerwasser gegeben hat, wenn das Eis warm und porös ist.

Meereisalgen leben hauptsächlich in den unteren 20 cm des Meereises, also an der Unterseite des Eises (Eisunterseiten-Lebensgemeinschaft, bottom ice community), wo die Lebensbedingungen generell stabiler sind. Ihre Verbreitung von hier im Meereis nach oben ist durch die Nährstoffverfügbarkeit und den hohen Salzgehalt der Sole limitiert. Unter bestimmten Bedingungen finden sich die Eisalgen auch im Meereis. Diese Lebensgemeinschaften sind mit Frazil-Eisschichten (frazil ice = freischwebende Eisnadeln oder Eisplättchen) verbunden oder werden im sogenannten Freiboard-Level gefunden, wo Meerwasser das Eis infiltrieren kann und so die zum Wachstum notwendigen Nährstoffe für die Eisalgen zur Verfügung stellt. Diese sind in der Antarktis häufiger als in der Arktis. Das poröse Plättcheneis, bestehend aus ungefähr 20 % Eis und 80 % Meerwasser bezogen auf das Volumen und beherbergt die größten Anreicherungen von Eisalgen (Arrigo, 2017). Während der MOSAiC Expedition konnte Plättcheneis auch in der Arktis nachgewiesen werden (Katlein et al., 2020).

Je nach Region und Lebensbedingungen trägt das arktische Meereis zwischen 2 und 10 Prozent der gesamten Primärproduktion und zwischen 2 und 24 Prozent in der Antarktis bei (Arrigo, 2017). Im Monat April liegt dieser Beitrag in der Arktis bei ~18 Prozent und im Mai bei ~12 Prozent. Ähnlich trägt das Meereis ~4 Prozent zur Gesamtproduktion südlich von 50°S im November bei. Für das Leben im Arktischen Ozean sind die Eisalgen vor allem für die Zeit nach dem Ende des polaren Winters wichtig. Da sie schon bei wenig Licht zu wachsen beginnen, sind sie eine frühe Nahrungsquelle für das Zooplankton. Damit spielen sie eine Schlüsselrolle im arktischen Nahrungsnetz. Am stärksten ist die Eisalgenblüte am Ende des Frühlings oder im frühen Sommer, also zu Beginn der Eisschmelze. Danach nimmt die Produktivität der Eisalgen ab, weil durch die Schmelze das Eis als Lebensraum der Algen kleiner wird und sie aus dem Eis herausschmelzen und in die Tiefe sinken. Die Eisalgenmasse nimmt auch deshalb ab, weil die Nährstoffe im Wasser nach und nach aufgebraucht werden und weil Zooplankter die Algen wegfressen. Eine zweite Eisalgenblüte kann im Herbst stattfinden, wenn sich das Meereis neu bildet. Diese Blüte ist jedoch nur von kurzer Dauer.

Rolle der Mikroalgen im Meereis

Eisalgen …

  • können innerhalb kurzer Zeit stark wachsen und sich vermehren, was als Eisalgenblüte bezeichnet wird. Die Eisalgenblüte ist ein wichtiges Element der polaren Nahrungsnetze. Sie findet im Frühling bei zunehmender Sonneneinstrahlung und abnehmender Schneebedeckung und manchmal im Herbst statt. Während das Licht den Beginn der Blüte bestimmt, sind Nährstoffe essentiell, um das Meereisalgenwachstum zu erhalten. Die Nährstoffe werden nach und nach verbraucht und können so insbesondere in der Arktis zum limitierenden Faktor des Algenwachstums werden.
  • wandeln durch Photosynthese gelösten anorganischen Kohlenstoff in organisches Material um. Sie bilden durch diese Primärproduktion einen wichtigen Bestandteil des Ökosystems, indem sie das gesamte Nahrungsnetz mit Energie versorgen. Sie sind einer der primären Hauptproduzenten im Arktischen Ozean (Frey et al, 2020).
  • bilden im Eis biomassereiche Schichten, ein Reservoir an Nährstoffen für andere Organismen. Eisalgen akkumulieren Makronährstoffe und Eisen (Bioakkumulation). Taut das Eis auf, werden diese Nährstoffe frei. Damit wird die Produktion im Ökosystem schon in einer frühen Phase des Jahres angetrieben.
  • nutzen Kohlendioxid (CO2) und anorganische Nährstoffe zur Bildung von organischer Biomasse und sind vor Ort ein Produzent von gelöstem organischem Kohlenstoff (Dissolved organic carbon, DOC) und von gelatineartigen Biopolymeren (Extrazelluläre Polymere Substanzen, EPS) im Meereis.

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Ardyna, M, et al. (2020): Environmental drivers of under-ice phytoplankton bloom dynamics in the Arctic Ocean. Elem Sci Anth, 8: 30. DOI: doi.org/10.1525/elementa.430
Arrigo, K.R. (2017): Sea ice as a habitat for primary producers, In: D.N. Thomas (ed.) Sea Ice, 3rd edition, Wiley-Blackwell, Chichester (UK) Hoboken (NJ), S. 352-369
Frey, K.E., J. C. Comiso, L. W. Cooper, J. M. Grebmeier, & L. V. Stock(2020): Arctic Ocean Primary Productivity: The Response of Marine Algae to Climate Warming and Sea Ice Decline, DOI: 10.25923/vtdn-2198; Arctic Report Card: Update for 2020; arctic.noaa.gov/Report-Card/Report-Card-2020/ArtMID/7975/ArticleID/900/Arctic-Ocean-Primary-Productivity-The-Response-of-Marine-Algae-to-Climate-Warming-and-Sea-Ice-Decline
Katlein, C., V. Mohrholz, I. Sheikin, P. Itkin, D. V. Divine & J. Stroeve et al. (2020): Platelet ice under Arctic pack ice in winter. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL088898. doi.org/10.1029/2020GL088898