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Versauert die Ostsee? IOWForscher adaptiert erstmals präzise optische pH-Messmethode für Brackwasser

19.09.2018

Großer Fortschritt für das pH-Monitoring in der Ostsee: Um mögliche Versauerungstrends besser beobachten zu können, entwickelte Jens Müller, Meereschemiker am Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW), eine sehr genaue optische pH-Messmethode, die bislang nur bei hohen Salzgehalten im Ozean anwendbar war, so weiter, dass sie auch bei geringer Salinität im Ostsee-Brackwasser einsatzbereit ist. Das adaptierte Messverfahren, für das bereits ein marktreifes Gerät konstruiert wurde, empfiehlt sich daher für den routi-nemäßigen Einsatz im Rahmen der Ostsee-Umweltüberwachung der Helsinki-Kommission (HELCOM). Durchgeführt wurden die Arbeiten im Rahmen des EU-Projektes BONUS PINBAL*.

Der durch den Menschen verursachte übermäßige CO₂-Ausstoß ist nicht nur ein Problem für das Weltklima, sondern auch für die Weltmeere: Kohlendoxid löst sich im Meerwasser, bil-det Kohlensäure und setzt dadurch Wasserstoff-Ionen frei, die zu einer Versauerung führen. Seit Beginn der Industrialisierung ist der durchschnittliche pH-Wert der Ozeane von 8,2 auf rund 8,1 gefallen.


Die für Brackwasser adaptierte optische pH-Messmethode samt marktreifem Gerät ("roter Kasten") wurde von IOW-Forscher Jens Müller eingehend auf See erprobt - hier an Bord des Fährschiffes Finnmaid.

IOW / J. Müller

Auch als „das andere CO₂-Problem“ bezeichnet, beeinflusst die Absen-kung des pH-Wertes fast alle biochemischen und biologischen Prozesse im Meer. Sehr emp-findlich reagieren beispielsweise Muscheln, Krebse und Korallen, da der Aufbau ihrer Kalkschalen, -panzer oder -skelette in dem zunehmend sauren Milieu erschwert wird.

Obwohl sich die Wissenschaft bereits seit rund zwei Jahrzehnten mit der Ozeanversauerung befasst, ist es nicht leicht, die aktuelle Dynamik des Phänomens mitzuverfolgen: Langzeit-Messreihen im offenen Ozean zeigen, dass sich der pH-Wert im Schnitt jährlich um ca. 0,002 Einheiten vermindert. Um diese geringen Veränderungen zu erfassen, bedarf es hochgenauer Messmethoden.

In der Ozeanographie hat sich dafür die optische pH-Messung als Standard etabliert hat. Sie beruht auf der Zugabe des Farbstoffs m-Kresolpurpur zur Wasserprobe und dessen pH-abhängigen Farbumschlag von Violett nach Gelb. Die Farbigkeit kann mit einem Photometer äußerst exakt bestimmt und in Abhängigkeit von Salzgehalt und Temperatur in pH-Einheiten umgerechnet werden.

Und wie sieht es mit der Ostsee aus? „Wir haben Daten der letzten 20 Jahre analysiert und keinen eindeutigen Versauerungstrend feststellen können – ein ziemlich bemerkenswertes Ergebnis angesichts der bereits nachgewiesenen allgemeinen Ozeanversauerung“, sagt Jens Müller vom IOW, der sich im Rahmen seiner Doktorarbeit intensiv mit dem CO₂-System der Ostsee befasst hat.

Dafür kämen verschiedene Gründe in Frage; zwei besonders wichtige seien die folgenden, erklärt der Meereschemiker: 1. Die Datenqualität ist in Bezug auf Mess-genauigkeit unzureichend. 2. Es gibt tatsächlich keinen abnehmenden pH-Trend, da die Versauerung durch konträr wirkende Einflüsse abgepuffert wird.

Dass es in der Ostsee derzeit in der Tat Prozesse gibt, die der Versauerung entgegenwirken, zeigen umfangreiche Analysen zur Alkalinität, also zum Säurebindungsvermögen des Meer-wassers. Der seit 1995 beobachtete Anstieg der Alkalinität in der Ostsee ist wahrscheinlich durch kontinentale Gesteinsverwitterung bedingt, deren Produkte mit den Flüssen in das Binnenmeer gewaschen werden. Wie lange dieser Alkalinitätsanstieg jedoch anhält und eine Versauerung abpuffern kann, ist unbekannt. „Um zu verstehen, was in der Ostsee in Sachen pH passiert, muss ausgeschlossen werden, dass ein Nachweis von Versauerung einfach an Methodenungenauigkeit scheitert“, betont Jens Müller.

Derzeit basiert die Erfassung des pH-Werts im Rahmen von Ostsee-Routine-Untersuchungen auf Messungen mit einer Glaselektrode; der Messfehler dieses Verfahrens ist zu groß, um Versauerungstrends sicher nachzuweisen. Jens Müller mahnt daher an, ein entsprechendes Monitoring mit genauester Methodik und möglichst guter zeitlicher und räumlicher Auflösung durchzuführen, damit man bei so einem Schlüsselparameter immer auf dem neusten Stand sei.

Müller: „Wir haben deshalb die deutlich genauere optische pH-Messmethode, die bislang nur in den offenen Ozeanen mit hohen Salzgehalten zwischen 20 und 40 anwendbar war, so weiterentwickelt, dass sie auch im Ostsee-Brackwasser bei geringerer Salinität von 5 bis 20 funktioniert und für ein routinemäßiges Monitoring einsatzbereit ist.“

Dazu glich Jens Müller in Kooperation mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in künstlichen Meerwasserstandards durchgeführte optische pH-Messungen erstmals mit pH-Messungen nach dem primären, messtechnisch definierten elektrochemischen Stan-dardverfahren ab und charakterisierte systematisch das Farbumschlagsverhalten des Indi-katorfarbstoffs m-Kresolpurpur für niedrige Salzgehalte.

„Mit Hilfe dieser auf Primärstandards zurückführbaren Daten können wir nun erstmals pH-Messgeräte auch für den Salinitätsbereich der Ostsee eichen und die Farbigkeit des Indikators zuverlässig in pH-Einheiten umrechnen“, erläutert Müller. In einem letzten Schritt konnte der IOW-Forscher noch experimentell ausschließen, dass sich Schwefelwasserstoff und größere Mengen organischen Materials, beides typisch für Brackwasserökosysteme wie die Ostsee, störend auf das neue Messverfahren auswirken.

Um das optische pH-Messverfahren nicht nur auf chemisch-physikalischer Ebene für den Einsatz in der Ostsee startklar zu machen, erarbeitete Jens Müller zusammen mit einer Kieler Meerestechnik-Firma und zwei wissenschaftlichen Partnerinstitutionen eine für den Feldein-satz anwendungsreife technische Umsetzung, die mittlerweile erprobt und auf dem Markt ist. „Unser ‚Roter Kasten‘, in dem alles eingebaut ist, was man zur optisch-photometrischen pH-Messung braucht, kann leicht auf jedem Forschungsschiff installiert werden und auch auf sogenannten ‚voluntary observing ships‘ (VOS) mitfahren“, sagt Müller.

VOS sind regelmäßig auf den Ozeanen und auch auf der Ostsee verkehrende Schiffe, die nicht primär für die Forschung unterwegs sind, aber dennoch Messgeräte an Bord nehmen und wissenschaftliche Daten erheben. „Einer routinemäßigen Verwendung des angepassten Verfahrens für ein deutlich präziseres, hochaufgelöstes und flächendeckendes pH-Monitoring in der Ostsee steht damit nichts mehr im Wege.

Wir halten das nun auch Brackwasser-taugliche Verfahren daher für geeignet, als offizielle neue Standard-Messmethode im Ostsee-Monitoring zum Einsatz zu kommen. Dafür machen wir uns bei der HELCOM (Helsinki-Kommission zum Schutz der Ostsee) stark“, kommentiert Gregor Rehder, Leiter der IOW-Arbeitsgruppe „Biogeochemie Umweltrelevanter Gase“ und Koordinator des PINBAL-Projekts, die Forschungsergebnisse seines ehemaligen Doktoranden und jetzigen Kollegen abschließend.

Originalpublikationen im Rahmen von BONUS PINBAL* zur pH-Messung im Brackwasser:
(*kurz für „Development of a spectrophotometric pH-measurement system for monitoring in the Baltic Sea“, weitere Infos: http://www.bonusportal.org/pinbal)

- Jens D. Müller, Frank Bastkowski, Beatrice Sander, Steffen Seitz, David R. Turner, Andrew G. Dickson, Gregor Rehder (2018): „Metrology for pH Measurements in Brackish Waters – Part 1: Extending Electrochemical pHT Measurements of TRIS Buffers to Salinities 5 – 20“, Front. Mar. Sci. 5:176, doi: 10.3389/fmars.2018.00176

- Jens D. Müller and Gregor Rehder (2018): „Metrology for pH Measurements in Brackish Waters – Part 2: Experimental Characterization of Purified meta-Cresol Purple for Spectrophotometric pHT Measurements“, Front. Mar. Sci. 5:177, doi: 10.3389/fmars.2018.00177

- Jens D. Müller, Bernd Schneider, Steffen Aßmann, Gregor Rehder (2018): „Spectrophotometric pH measurements in the presence of dissolved organic matter and hydrogen sulfide“, Limnol. Oceanogr.: Methods 16, 2018, 68–82, doi: 10.1002/lom3.10227

BONUS PINBAL-Partner:
- Kongsberg Maritime Contros GmbH, Kiel
- University of Gothenburg, Göteborg, Schweden
- Institute of Oceanology of Polish Academy of Science, Warschau, Polen

Kontakt IOW-Presse- und Öffentlichkeitsarbeit:
Dr. Kristin Beck | Tel.: 0381 – 5197 135 | kristin.beck@io-warnemuende.de
Dr. Barbara Hentzsch | Tel.: 0381 – 5197 102 | barbara.hentzsch@io-warnemuende.de

Das IOW ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, zu der zurzeit 93 Forschungsinstitute und wissenschaftliche Infrastruktureinrichtungen für die Forschung gehören. Die Ausrichtung der Leibniz-Institute reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Sozial- und Raumwissenschaften bis hin zu den Geisteswissenschaften. Bund und Länder fördern die Institute gemeinsam. Insgesamt beschäftigen die Leibniz-Institute etwa 19.100 MitarbeiterInnen, davon sind ca. 9.900 WissenschaftlerInnen. Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,9 Mrd. Euro. http://www.leibniz-gemeinschaft.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Jens Müller | Tel.: 0381 – 5197 3458 | jens.mueller@io-warnemuende.de
Prof. Gregor Rehder | Tel.: 0381 – 5197 336 | gregor.rehder@io-warnemuende.de

Dr. Kristin Beck | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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