St?rungsfreie Sauerstoffmessungen in Tiefseesediment mit sauerstoffempfindlichen Folien

Tiefseesedimente enthalten organischen Kohlenstoff, dessen Zersetzung durch Mikroorganismen den Sauerstoffgehalt des sediment?ren Porenwassers herabsetzt. In den meisten marinen Sedimenten wird im Wesentlichen der gesamte Sauerstoff innerhalb der oberen 20 cm der Sediments?ule verbraucht. Dieser Gradient im Porenwasser-Sauerstoffgehalt verursacht viele interessante Reaktionen der Ionendiffusion im Porenwasser, in einem kleinen Abschnitt der Sediments?ule. Das ?ffnen des Sedimentkerns für O₂-Messungen kann jedoch zu einer Verunreinigung mit atmosph?rischem O₂ führen, wodurch die Messungen beeintr?chtigt werden. In dieser Studie haben wir das Innere eines transparenten, 60 cm langen Kernrohres mit sauerstoffempfindlicher Folie versehen, um den O₂-Gehalt der Grenzfl?che und des Porenwassers unmittelbar nach der Bergung des Kerns an Deck des Forschungsschiffes zu messen. Diese Methode erlaubt eine schnelle und st?rungsfreie 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 Kernabst?nde von jeweils etwa 2 cm bedeckten. W?hrend 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 Ver?nderungen 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 Sauerstoffmessger?t mit einer optischen Faser durchgeführt, wobei die Tiefe mit einem Ma?band von der Sedimentoberfl?che 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 Ausrei?er-Wertes bei 4 cm Tiefe. Die Messungen zeigen, dass der Boden des Sedimentkerns bei der Entnahme des Kernrohres aus dem Corer-Rahmen mit atmosph?rischem 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 st?rungsfreien 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 beeintr?chtigt worden zu sein und hatte auch keinen Schaden durch das Einführen des Kernrohres in das Sediment erlitten, d. h. sie hat sich nicht abgel?st 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 wom?glich deren Funktionalit?t beeintr?chtigt h?tte. Ein speziell entworfener Kunststoffstab k?nnte helfen, dei Streifen auf der glatten Oberfl?che zu befestigen, ohne zu verrutschen. W?hrend der Messung ist es au?erdem wichtig, die optische Faser in die Mitte der sauerstoffempfindlichen Folie zu richten. Ein einfaches Zubeh?rteil für die horizontale Fixierung, wie der Adapter for Round Containers ARC von PreSens kann für eine einfachere Messung hilfreich sein. Alternativ k?nnte auch ein Mikromanipulator zur genauen Positionierung der Faser verwendet werden, es müsste aber erst geprüft werden, ob seine Anwendung an Deck des Forschungsschiffes überhaupt m?glich w?re.
Die Temperatur des Porenwassers und der sauerstoffempfindlichen Folien birgt letztendlich die gr??ten Unsicherheiten. Die Kombination der Sauerstoffsonde mit optischen Temperaturmesswerten w?re für diese Art der Anwendung wünschenswert, da die Verwendung einer Temperatursonde zur Messung an der glatten ?u?eren Oberfl?che des Kernrohres nicht praktikabel ist. Optische Temperaturmessung würde eine direkte Temperaturkompensation erm?glichen, 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 k?nnte auch mit kleineren, runden Sauerstoff-Sensorspots durchgeführt werden, anstatt mit Sensorstreifen. Die Vorteile dabei w?ren geringere Kosten, und dass man die Sensoren genauer in verschiedenen Tiefen positionieren k?nnte. Dafür hat man eine geringere Tiefenaufl?sung.
Darüber hinaus wurde diese Methode auch mit einem "Push Core" getestet - einem kleinen, 20 cm langen transparenten Kernrohr, das direkt mit einem ferngesteuerten Tauchger?t (ROV) in das Sediment geschoben werden kann. Leider war das ROV w?hrend der Fahrt M151 nicht auf Sedimente gesto?en, die sich für das Push-Coring eignen, aber die Anwendung scheint generell sehr vielversprechend.

Danksagung
Wir m?chten uns beim wissenschaftlichen Leiter Prof. Norbert Frank, sowie dem Kapit?n und der Mannschaft des Forschungsschiffes Meteor für die Gelegenheit bedanken, diese Methode auf der Fahr M151 im Oktober 2018 testen zu k?nnen.