Der Arktische Ozean galt lange Zeit als entlegener und nahezu unberührter Raum. Doch Messungen zeichnen ein anderes Bild: Das Nordpolarmeer nimmt einen grossen Teil des vom Menschen in Umlauf gebrachten Bleis aus dem Nordatlantik auf. An einigen Stellen ist die Konzentration des giftigen Schwermetalls im Meeresboden so hoch, dass bodenlebende Organismen geschädigt werden könnten.
Blei ist ein giftiges Schwermetall, das sich im menschlichen Körper anreichert, das Nervensystem schädigt und Krebserkrankungen verursachen kann. Seit Beginn der Industrialisierung gelangen tausende Tonnen von Blei in die Atmosphäre, und das jährlich. Vor allem durch verbleites Benzin kam es im 20. Jahrhundert zu einem dramatischen Anstieg der Emissionen, sodass jährlich hunderttausende Tonnen des Schwermetalls in die Atmosphäre gelangten.
Der Nordatlantik ist stark von den Bleiemissionen der Vergangenheit betroffen. Dies liegt an seiner Nähe zu den grossen Emissionshotspots in Nordamerika und Europa. Der Wind transportierte die Bleibelastung von den Kontinenten über das offene Meer. Ein grosser Teil dieses atmosphärischen Bleis lagerte sich schliesslich im Ozean und seinen Sedimenten ab. Die Rolle der Meeresströmungen beim Transport des Bleis aus dem Atlantik in benachbarte Ozeanbecken wie den «unberührten» Arktischen Ozean blieb jedoch aufgrund fehlender Bleimessungen in arktischen Gewässern bislang unklar.
Expeditionen durch die arktisch-atlantischen Meerengen
Im Rahmen einer internationalen Initiative führten 2015 und 2016 drei Expeditionen mit dem deutschen Forschungseisbrecher «Polarstern» und dem kanadischen Küstenwachschiff «Amundsen» durch die arktisch-atlantischen Meerengen. Dank dieser Expeditionen konnten Wissenschaftler nun erstmals eine quantitative Schätzung des Bleieintrags aus dem Atlantik in die Arktis vorlegen. Dabei fanden die Forschenden heraus, dass sich im Arktischen Ozean verstärkt vom Menschen verursachte Blei-Emissionen sammeln.
Dr. Stephan Krisch vom Institut für Geoökologie der Technischen Universität Braunschweig ermittelte auf der Grundlage der Ergebnisse einer internationalen Forschungsgruppe, die im Rahmen des «Geotraces»-Konsortiums arbeitet, jetzt den Bleifluss in den Arktischen Ozean. «Wir waren überrascht von der Menge an Blei, die aus dem Atlantik in den Arktischen Ozean gelangt», sagt Dr. Stephan Krisch, Erstautor der in Nature Communications veröffentlichten Studie. «Erstaunlich war für uns, dass dieser Bleieintrag noch Jahrzehnte nach dem Ende der Verwendung von verbleitem Benzin in Europa und Nordamerika mit dem grösstenteils natürlichen Eintrag von Blei durch Flüsse mithalten kann. Dieser natürliche Eintrag erfolgt beispielsweise durch die Verwitterung von Gesteinen oder durch Mineralien. Wir hatten erwartet, dass der Nettozufluss aus dem Atlantik deutlich geringer ist als der Flusseintrag, weil die Löslichkeit von Blei im Meerwasser um den Faktor 30 bis 100 schlechter ist, als die Löslichkeit von Blei in Flusswasser.»
Ausstoss hunderttausender Tonnen in die Atmosphäre
Blei (Pb) ist ein giftiges Element ohne bekannte biologische Funktion. Obwohl seine Gefahren für die Gesundheit bereits seit der Römerzeit bekannt sind, haben Menschen durch die Verhüttung von Metallen Millionen Tonnen Blei in die Atmosphäre abgegeben, insbesondere seit der industriellen Revolution. Die grössten Bleiemissionen stammen jedoch aus der Verbrennung von verbleitem Benzin im 20. Jahrhundert, als Tetraethylblei dem Benzin zugesetzt wurde, um die Effizienz von Motoren zu steigern. In den 1960er- und 1970er-Jahren, als der Verbrauch von verbleitem Benzin seinen Höhepunkt erreichte, wurden jährlich hunderttausende Tonnen Blei in die Atmosphäre ausgestossen. Dies führte zu einer weitreichenden Kontamination von Land und Wasser, die selbst in den entlegensten Regionen der Erde nachweisbar ist, sogar in den Tiefseegewässern und deren Sedimenten sowie im Eis der Arktis und Antarktis.
Die Autoren schätzen, dass der Arktische Ozean zwischen 1970 und 2015 einen Nettozufluss von 75 000 Tonnen Blei, das von Menschen in Umlauf gebracht wurde, aus dem Nordatlantik erhalten haben könnte. «Dieser Bleieintrag macht den Arktischen Ozean zwar nur zu einer kleineren Senke im Vergleich zu den Hunderttausenden Tonnen Blei, die sich im Nordatlantik abgelagert haben. Jedoch erklärt er die grossflächige Kontamination der arktischen Tiefseesedimente mit Blei, die an einigen Stellen Werte erreicht, die für bodenlebende Organismen schädlich sein können.»
«Fingerabdruckmethode» mit hochpräzisen Messungen
Dass diese Bleibelastung tatsächlich auf durch Menschen verursachte Emissionen in Nordamerika zurückzuführen ist, konnte am Imperial College London durch die sogenannte «Fingerabdruckmethode» anhand von Blei-Isotopen sowie durch Blei-Isotopenmessungen im Meerwasser nachgewiesen werden. Dr. Arianna Olivelli, Mitautorin der Studie: «Hochpräzise Messungen der Blei-Isotopenzusammensetzung sind zwar mühsam, ermöglichen es uns aber, nicht nur zwischen natürlichen und anthropogenen Quellen zu unterscheiden, sondern auch den relativen Beitrag anthropogener Bleiemissionen aus verschiedenen Ländern zu ermitteln. Dies ist möglich, da die weltweite Produktion von Tetraethylblei, das in verbleitem Benzin verwendet wurde, nur auf wenigen Bleierzen mit einzigartigen geologischen Merkmalen beruhte.»
Die Messung von Blei und Blei-Isotopen in Meerwasser ist äusserst anspruchsvoll, da die Bleikonzentrationen in der Regel im Nanogramm-pro-Liter-Bereich liegen. Dies erfordert spezielle Probenahme-Geräte und Analysetechniken, um eine Kontamination und Fehlinterpretation der Ergebnisse durch das allgegenwärtige Vorkommen von Blei in der Umwelt zu verhindern. Die Technologie zur präzisen Messung der Bleikonzentrationen im Ozean ohne Kreuzkontamination durch Geräte wurde erst in den vergangenen Jahrzehnten entwickelt – dank der Fortschritte in der analytischen Chemie und global einheitlicher Standards, wie sie beispielsweise von Geotraces festgelegt wurden.
Auswirkungen des Klimawandels
Professor Harald Biester, Leiter der Abteilung für Umweltgeochemie an der TU Braunschweig, erklärt. «Solche Kooperationen sind auch in Zukunft ein wichtiger Bestandteil, da unser Institut die Meeresforschung vorantreibt, um die menschlichen Emissionen und ihre Auswirkungen auf die Gesundheit der Ozeane besser zu verstehen.» Dr. Stephan Krisch fügt hinzu. «Der rasante Verlust von Meereis und die Zunahme von Sedimenterosion auf dem Schelf können die erneute Freisetzung von Blei aus arktischen Sedimenten begünstigen – mit noch unbekannten Folgen für den Bleigehalt im Meerwasser und in der marinen Biodiversität der Arktis.»
