Bakterien, die auf sinkenden Partikeln im Ozean mitfahren, können die mineralische Ballastierung, die diesen Partikeln beim Absinken hilft, abbauen. Dadurch wird die Lieferung von Kohlenstoff in die Tiefsee verlangsamt und möglicherweise eine der größten natürlichen Kohlenstoffsenken des Planeten geschwächt. Eine neue Studie in den Proceedings of the National Academy of Sciences beschreibt, wie mikrobielle Atmung saure Mikrobereiche um Meeresschnee erzeugt und Calciumcarbonat-Schalen selbst in Gewässern auflöst, in denen dieses Mineral eigentlich stabil bleiben sollte. Die Ergebnisse stellen gängige Annahmen in Klimamodellen darüber in Frage, wie effizient der Ozean atmosphärischen Kohlenstoff vergräbt.
Wie Bakterien den Ballast von sinkenden Partikeln entfernen
Meeresschnee, der ständige Niederschlag aus abgestorbenen Planktonzellen, Fäkalpellets und organischen Trümmern, die aus den lichtdurchfluteten Oberflächengewässern zum Meeresboden treiben, ist auf dichte mineralische Komponenten angewiesen, um schnell zu sinken. Calciumcarbonat-Schalen von Organismen wie Kokkolithophoriden fungieren als Ballast und beschweren diese fragilen Aggregate, sodass sie organischen Kohlenstoff unterhalb der oberen Ozeanschichten transportieren können, bevor Mikroben ihn vollständig zersetzen. Die neue PNAS-Studie verwendete eine mikrofluidische Plattform, um ein sinkendes Partikel mit Calcit und lebenden Bakterien zu simulieren. Laut der Studie treibt bakterielle Atmung eine lokale Versauerung an, die Calcit auch bei übersättigten Bedingungen im oberen Ozean auflöst, wo die Chemie allein das Mineral nicht abbauen würde.
Diese Unterscheidung ist wichtig. Die gängige Ozeanchemie sagt voraus, dass Calcit erst unterhalb einer bestimmten Tiefe, der sogenannten Lysokline, aufgelöst werden sollte, weil dort das umgebende Wasser korrosiv genug wird. Ozeanographen beobachten jedoch seit langem einen signifikanten Verlust von Calciumcarbonat weit oberhalb dieser Grenze. Das Team der Rutgers University, das die mikrofluidischen Experimente durchführte, bezeichnete dies als ozeanografisches Rätsel: Calcit löst sich in Gewässern, die es eigentlich erhalten sollten. Ihre Laborarbeit weist auf biologische Ursachen statt nur auf chemische hin. Wenn Bakterien ein Partikel besiedeln und atmen, setzen sie CO2 in den dünnen Wasserfilm um das Körnchen frei, senken lokal den pH-Wert und nagen an der schützenden Schale.
Die Experimente heben auch hervor, wie kleinskalig diese Prozesse sind. Die sauren Mikrobereiche bilden sich in Entfernungen von einigen zehn bis einigen hundert Mikrometern um einzelne Calcitkörner, die in organischer Matrix eingebettet sind. Aus der Sicht großskaliger Kohlenstoffmodelle ist dieses Detail unsichtbar, kann jedoch darüber entscheiden, ob ein Partikel genug Ballast behält, um die oberen Ozeanschichten zu durchdringen, oder ob er dort verweilt, wo die Remineralisierung am intensivsten ist.
Unabhängige Arbeiten zur mikrobiellen Ökologie stützen dieses Bild eng gekoppelter Wechselwirkungen zwischen Mineralen und Mikroben. Eine Übersichtsarbeit zu partikelassoziierten Mikroben betont, dass Bakterien auf Aggregaten sehr andere chemische Bedingungen erfahren als das umgebende Meerwasser, einschließlich steiler Gradienten bei Sauerstoff und pH. Die PNAS-Studie macht dieses konzeptionelle Rahmenmodell zu einem quantifizierbaren Mechanismus für verstärkte Calcitauflösung.
Schleim, Biogele und das Problem des Strömungswiderstands
Die Erosion von Calcit ist nicht die einzige Möglichkeit, wie Mikroben das Absinken von kohlenstoffreichen Partikeln verlangsamen. Eine andere Forschungsrichtung zeigt, dass biologische Beschichtungen den Strömungswiderstand sinkender Aggregate physikalisch erhöhen. Experimente mit Meeresschnee-Analoga demonstrieren, dass biofilmbildende Bakterien und die klebrigen Biogele, die sie produzieren, die Sinkgeschwindigkeit reduzieren, indem sie Form und Oberflächeneigenschaften der Partikel verändern. Wenn bakterielle Gemeinschaften die Oberfläche besiedeln, geben sie Polymere ab, die kompakte Klumpen in unregelmäßigere, flauschigere Strukturen verwandeln.
Diese klebrigen Exudate erfüllen eine doppelte Funktion. Sie helfen Bakterien, an Partikeln zu haften und auf organische Substrate zuzugreifen, erhöhen aber auch die effektive Querschnittsfläche gegenüber der Strömung beim Absinken und steigern damit den Widerstand. In einigen Experimenten verlangsamte die Anwesenheit mikrobieller Biogele das Absinken um einige zehn Prozent im Vergleich zu sterilen Kontrollen. Über die hunderten Meter, die die Oberfläche von der Dämmerungszone trennen, übersetzt sich diese Verlangsamung in viele zusätzliche Tage der Exposition gegenüber hungrigen Mikroben und Zooplankton.
Beobachtungen im offenen Ozean spiegeln diese Laborergebnisse wider. Bildaufnahmen natürlicher Aggregate haben Meeresschnee mit Schleimüberzügen und hinterziehendem filamentösem Material gezeigt, das sich beim Absinken in schwanzähnliche Strukturen verformt. Diese Schwänze wirken wie Fallschirme und verzögern den Abstieg zusätzlich. Netto bewirkt die Biologie also nicht nur, dass Ballast weggeätzt wird, sondern sie formt die verbleibende organische Substanz auch in weniger stromlinienförmige Formen um.
Die kombinierte Wirkung ist eine Art Doppelbremse. Bakterien entfernen dichte mineralische Komponenten, die Partikel beschweren, während Biogele den Widerstand erhöhen und die leichteren Aggregate länger suspendiert halten. Beide Mechanismen verlängern die Verweildauer eines Partikels in der oberen Wassersäule, wo heterotrophe Bakterien organische Substanz verstoffwechseln und wieder in gelöstes CO2 umwandeln. Mikrobielle „Räuber“ bilden eine unsichtbare Wolke, die dem Meeresschnee folgt, während er durch die Wassersäule wandert, ihn in immer kleinere kohlenstoffhaltige Stücke zerlegt und die insgesamt verfügbare Oberfläche für weitere Zersetzung vergrößert.
Druck bringt eine zusätzliche Komplexitätsebene
Die Geschichte endet nicht in der lichtdurchfluteten Zone. Wenn Partikel tiefer sinken, verändert der steigende hydrostatische Druck mikrobiellen Gemeinschaften und ihr Stoffwechselverhalten. Experimente, die natürliche Aggregate in den dort herrschenden Druckverhältnissen untersuchten, fanden, dass Kompression die mikrobielle Atmung und Zersetzungsprozesse auf Meeresschnee verändert und damit beeinflusst, wie viel Kohlenstoff remineralisiert wird im Vergleich zu dem, was in die Tiefsee exportiert wird. Einige Taxa werden unter hohem Druck aktiver, andere werden gehemmt, wodurch sich das Gleichgewicht der Stoffwechselwege verschiebt.
Eine verwandte Studie zu sinkenden organischen Partikeln zeigte, dass Meeresschnee beginnt, gelösten Kohlenstoff und Stickstoff zu verlieren, sobald er Tiefen erreicht, in denen der Druck intensiv ist, und damit Tiefseemikroben einen unerwarteten Energieschub liefert. Viele Aggregate kommen also nicht als versiegelte Pakete partiellen Kohlenstoffs an, sondern werden unterwegs teilweise „ausgepackt“ und geben gelöste organische Verbindungen ab, die noch vor dem Erreichen des Meeresbodens konsumiert werden können.
Das bedeutet, dass selbst Partikel, die schwer genug sind, um den oberen Ozean zu verlassen, auf dem Weg nach unten weiterhin an Substanz verlieren. Partikuläre organische Materie ist die Hauptform, in der an der Oberfläche gebundener Kohlenstoff die Tiefsee erreicht, aber mikrobielle Aktivität auf jeder Tiefenbühne nagt an dieser Ladung. Eine Modellstudie in Nature Communications zeigte, dass heterotrophe mikrobielle Dynamiken auf sinkenden Partikeln beeinflussen, wie der Partikularkohlenstofffluss mit der Tiefe abgeschwächt wird, und damit Mikroskalenprozesse mit großskaligen Exportmustern verknüpfen. In diesem Rahmen können kleine Veränderungen in mikrobiellen Wachstumsraten oder Anheftungsverhalten erheblich beeinflussen, wie viel Kohlenstoff letztlich auf klimatologisch relevanten Zeiträumen der Atmosphäre entgeht.
Warum aktuelle Kohlenstoffmodelle zu optimistisch sein könnten
Die meisten Erdsystemmodelle behandeln die biologische Kohlenstoffpumpe weitgehend als physikalisch-chemisches Förderband: Partikel bilden sich, sie sinken, und die Schwerkraft erledigt die Arbeit. Mikrobielle Zersetzung wird typischerweise als einfacher Zerfallsbegriff dargestellt, der partikulären Kohlenstoff mit der Tiefe reduziert, ohne explizit die Rückkopplungsschleifen abzubilden, die sich mittlerweile aus Labor- und Feldstudien abzeichnen.
Die neuen Erkenntnisse legen nahe, dass dieser Ansatz systematisch überschätzen könnte, wie effizient der Ozean Kohlenstoff sequestriert. Wenn Bakterien aktiv das Mineral auflösen, das Partikeln schnelles Absinken ermöglicht, und biologische Beschichtungen Aggregate so umgestalten, dass sie langsamer sinken, dann ist die effektive Überführung von Kohlenstoff in die Tiefsee fragiler, als viele Modelle annehmen. Statt eines geradlinigen Regens organischer Substanz ähnelt die biologische Pumpe eher einem Parcours mikrobieller Filter, die schrittweise Kohlenstoff auf jeder Etappe der Reise abstreifen.
Diese Mechanismen in globale Modelle zu integrieren, wird nicht einfach sein. Prozesse wie mikro-skalige Versauerung um Calcitkörner, Bildung von den Widerstand erhöhenden Biogelen und druckabhängige Verschiebungen im mikrobiellen Stoffwechsel wirken alle auf Skalen, die weit kleiner sind als die Gitterzellen von Klimasimulationen. Dennoch könnte ihr kumulativer Einfluss über riesige Ozeanbecken und über Jahrzehnte bis Jahrhunderte groß sein.
Ein möglicher Weg ist, partikelassoziierte Mikroben und ihre Wechselwirkungen mit Mineralen als explizite Subgrid-Komponente zu behandeln, die durch Studien begrenzt ist, welche quantifizieren, wie Faktoren wie Atemrate, Partikelgröße und Mineralgehalt Auflösung und Sinkgeschwindigkeit beeinflussen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, neue Beobachtungen von autonomen Plattformen und hochauflösenden Bildgebungssystemen zu nutzen, um zu prüfen, wie schnell partikulärer Kohlenstoff in verschiedenen Ozeanregionen tatsächlich mit der Tiefe verschwindet, und Modellparametrisierungen entsprechend anzupassen.
Für Entscheidungsträger und Planer ist die Botschaft nicht, dass der Ozean plötzlich aufhören wird, vom Menschen erzeugtes CO2 aufzunehmen, sondern dass die Kapazität der biologischen Pumpe dynamischer und empfindlicher gegenüber ökologischen Veränderungen ist, als bislang angenommen. Verschiebungen in Planktongemeinschaften, der Nährstoffversorgung oder der Schichtung des Ozeans könnten durch die mikrobielle Mechanik, die das Absinken von Partikeln steuert, nachwirken und das langfristige Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffspeicherung in der Tiefsee und Rückkehr in die Atmosphäre verändern. Das Verständnis und die Modellierung dieser Zusammenhänge werden für verlässliche Projektionen des zukünftigen Klimas unerlässlich sein.
