Verbundprojekt: SO298 - Biogeochemie von Spurenmetallen und deren Isotopen im äquatorialen pazifischen Ozean und deren Wechselwirkungen mit der Bioproduktivität; Teilprojekt CU: Konzentrationen und Speziierung von gelösten Spurenmetallen im äquatorialen Pazifik

Abstract

Wir haben die Konzentrationen und ausgewählte Speziationen mehrerer wichtiger Gruppen von Spurenmetallen entlang des äquatorialen Pazifik-Transsekts gemessen, darunter die Auftriebsregion im östlichen Pazifik, der oligotrophe Ozean und die westliche Region, die von Papua-Neuguinea und dem westlichen Schelf beeinflusst wird. Zu diesen Spurenmetallen gehörten: Elemente mit hoher Feldstärke (HFSE), Cu und Cu-bindende organische Liganden, konservative Elemente (Mo, U, Rb) und redoxempfindliche Elemente (Cr und V). HFSE (Zr, Nb und Hf) wurden in pikomlaren Konzentrationen gemessen und sind verlgeichbar mit Daten anderer Studien aus dem Pazifik. Die Zr- und Hf-Konzentrationen nahmen mit der Tiefe zu, ebenso wie die Zr/Hf-Verhältnisse. Auch das gelöste Cu nahm an allen Stationen mit der Tiefe zu und wies Konzentrationen auf, die mit anderen Daten aus dem Pazifik übereinstimmten. Für Cu-Liganden wurden keine nennenswerten Trends hinsichtlich der Stationen oder Tiefen beobachtet, und in allen Fällen wurde im Verhältnis zu den Cu-Konzentrationen ein Überschuss an relativ schwachen Cu-Liganden festgestellt. Die Cr-, V-, Mo- und U-Konzentrationen wiesen weniger klar definierte tiefenabhängige Trends auf. In Bezug auf die Meeresregion waren die Mo and U-Konzentrationen im Auftriebsgebiet (östlichen Pazifik) im Vergleich zu den westlichen Regionen etwas niedriger. Dies wurde auch für Mo und U beobachtet jedoch wird hier in Staub als mögliche Quelle für Mo und U im westlichen Pazifik in Erwägung gezogen. Ein Schwerpunkt der Analysen lag auf der Sauerstoffminimumzone (OMZ). HFSE (Zr, Hf und Nb) zeigten alle eine mögliche negative Korrelation zu Sauerstoff innerhalb der OMZ, möglicherweise aufgrund von Wechselwirkungen mit partikulärem Material. Andererseits stieg Cr in der OMZ im offenen Ozean an, nahm jedoch in der Auftriebsregion ab. Die Cr(III)/Cr(VI)-Verhältnisse zeigten keinen klaren Trend mit Sauerstoff, außer einen positiven in den Schelfstationen. V-Redoxspezies schienen nicht durch gelösten Sauerstoff kontrolliert zu werden, was darauf hindeutet, dass für die Fraktionierung der Cr- und VRedoxspezies andere Faktoren als Sauerstoff eine wichtige Rolle spielen. Wir konzentrierten uns auch auf die Größenfraktionierung durch sequentielles Filtrieren durch 0,8-, 0,2- und 0,015-μm-Filter. Mo und U sowie Cr waren überwiegend in der kleinsten Größenfraktion <0,015 μm vorhanden. Andererseits wurde bei Cu an zwei Stationen eine große kolloidale Fraktion (0,2 bis 0,8 μm) beobachtet, obwohl diese Größenfraktionierung bei Cubindenden Liganden nicht beobachtet wurde. An einer der Stationen für V wurde ebenfalls eine gewisse Fraktionierung beobachtet, mit einem verringerten V(IV)/Gesamt-V-Verhältnis in der 0,2- bis 0,8-μm-Fraktion, was mit hohen Chlorophyllkonzentrationen korreliert. Somit könnte diese große kolloidale Fraktion eine wichtige Rolle in der Biogeochemie von Spurenmetallen in dieser Region spielen. Unsere Ergebnisse dienen dazu, die Quellen und Senken von Spurenmetallen sowie deren Speziation in einer global bedeutenden Meeresregion aufzuklären. Darüber hinaus trägt die Fokussierung auf die OMZ zu einem besseren Verständnis der OMZ weltweit und ihrer Auswirkungen auf Metalle bei, da diese aufgrund anthropogener Einflüsse voraussichtlich immer stärker werden. As part of this project, the sources and processes of various groups for trace metals in the southern Pacific were investigated on the basis of the SO289 research cruise: conservative elements (uranium (U), rubidium (Rb), molybdenum (Mo)), so-called high-field-strength elements (zirconium (Zr), hafnium (Hf), niobium (Nb), tungsten (W)), copper (Cu) and Cu-binding organic molecules (ligands), and redox species of chromium (Cr) and vanadium (V). For the complex upwelling region off the Chilean coast, we were able to show that U exhibits a changed chemical behaviour at the coastal stations due to a slight deviation from conservative behaviour, presumably due to reduction in the oxygen minimum zone. A pre-concentration method was established for the determination of HFSE, which shows reproducibly high recoveries. Initial depth profiles from the South Pacific show lower concentrations in the surface and a slight increase in concentration with depth for Zr, Nb and Hf and a largely conservative profile for W. Successful method optimisation for V redox species and application to initial depth profiles showed that both species are consistently present in the water column, but that the low oxygen concentrations in the upwelling region do not significantly affect the redox fractionation of V. Sequential filtration results indicate that, in contrast to the V(V) form, which is largely present in true solution, a colloidal pool is also present for V(IV). A clear increase in the reduced Cr redox species, Cr(III) in the coastal stations can be explained by the low oxygen content, a slight increase at greater depths above the East Pacific Rise by a possible hydrothermal influence. The East Pacific Rise shows a possible input of Mo, but not for U and Rb. Our investigations of Cu-binding ligands show that the majority of the ligands are purely dissolved and tend to be weak ligands. They are always present in excess compared to Cu, which means that Cu is sufficiently detoxified by complexation. As some of the investigated parameters are used in isotope studies, our findings serve to understand the sources and processes of these metals in different marine systems (upwelling area, hydrothermal vents), which may well have an influence on the distribution of the isotopes. Furthermore, some of the trace metals analysed here are involved in biological productivity as micronutrients. With the intensification of oxygen minimum zones worldwide, these investigations point the way for further detailed studies in order to be able to assess the influence of anthropogenic changes on the behaviour and thus also on the bioavailability of the metals.