Bakterien, die auf sinkenden Partikeln im Ozean mitfahren, k\u00f6nnen die mineralische Ballastierung, die diesen Partikeln beim Absinken hilft, abbauen. Dadurch wird die Lieferung von Kohlenstoff in die Tiefsee verlangsamt und m\u00f6glicherweise eine der gr\u00f6\u00dften nat\u00fcrlichen Kohlenstoffsenken des Planeten geschw\u00e4cht. 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 Gew\u00e4ssern aufl\u00f6st, in denen dieses Mineral eigentlich stabil bleiben sollte. Die Ergebnisse stellen g\u00e4ngige Annahmen in Klimamodellen dar\u00fcber in Frage, wie effizient der Ozean atmosph\u00e4rischen Kohlenstoff vergr\u00e4bt.<\/p>\n
Meeresschnee, der st\u00e4ndige Niederschlag aus abgestorbenen Planktonzellen, F\u00e4kalpellets und organischen Tr\u00fcmmern, die aus den lichtdurchfluteten Oberfl\u00e4chengew\u00e4ssern 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 k\u00f6nnen, bevor Mikroben ihn vollst\u00e4ndig zersetzen. Die neue PNAS-Studie verwendete eine mikrofluidische Plattform<\/a>, 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 \u00fcbers\u00e4ttigten Bedingungen im oberen Ozean aufl\u00f6st, wo die Chemie allein das Mineral nicht abbauen w\u00fcrde.<\/p>\n Diese Unterscheidung ist wichtig. Die g\u00e4ngige Ozeanchemie sagt voraus, dass Calcit erst unterhalb einer bestimmten Tiefe, der sogenannten Lysokline, aufgel\u00f6st 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 durchf\u00fchrte, bezeichnete dies als ozeanografisches R\u00e4tsel: Calcit l\u00f6st sich in Gew\u00e4ssern, 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<\/sub> in den d\u00fcnnen Wasserfilm um das K\u00f6rnchen frei, senken lokal den pH-Wert und nagen an der sch\u00fctzenden Schale.<\/p>\n 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 Calcitk\u00f6rner, die in organischer Matrix eingebettet sind. Aus der Sicht gro\u00dfskaliger Kohlenstoffmodelle ist dieses Detail unsichtbar, kann jedoch dar\u00fcber entscheiden, ob ein Partikel genug Ballast beh\u00e4lt, um die oberen Ozeanschichten zu durchdringen, oder ob er dort verweilt, wo die Remineralisierung am intensivsten ist.<\/p>\n Unabh\u00e4ngige Arbeiten zur mikrobiellen \u00d6kologie st\u00fctzen dieses Bild eng gekoppelter Wechselwirkungen zwischen Mineralen und Mikroben. Eine \u00dcbersichtsarbeit zu partikelassoziierten Mikroben<\/a> betont, dass Bakterien auf Aggregaten sehr andere chemische Bedingungen erfahren als das umgebende Meerwasser, einschlie\u00dflich steiler Gradienten bei Sauerstoff und pH. Die PNAS-Studie macht dieses konzeptionelle Rahmenmodell zu einem quantifizierbaren Mechanismus f\u00fcr verst\u00e4rkte Calcitaufl\u00f6sung.<\/p>\n Die Erosion von Calcit ist nicht die einzige M\u00f6glichkeit, wie Mikroben das Absinken von kohlenstoffreichen Partikeln verlangsamen. Eine andere Forschungsrichtung zeigt, dass biologische Beschichtungen den Str\u00f6mungswiderstand sinkender Aggregate physikalisch erh\u00f6hen. Experimente mit Meeresschnee-Analoga demonstrieren, dass biofilmbildende Bakterien und die klebrigen Biogele, die sie produzieren, die Sinkgeschwindigkeit reduzieren<\/a>, indem sie Form und Oberfl\u00e4cheneigenschaften der Partikel ver\u00e4ndern. Wenn bakterielle Gemeinschaften die Oberfl\u00e4che besiedeln, geben sie Polymere ab, die kompakte Klumpen in unregelm\u00e4\u00dfigere, flauschigere Strukturen verwandeln.<\/p>\n Diese klebrigen Exudate erf\u00fcllen eine doppelte Funktion. Sie helfen Bakterien, an Partikeln zu haften und auf organische Substrate zuzugreifen, erh\u00f6hen aber auch die effektive Querschnittsfl\u00e4che gegen\u00fcber der Str\u00f6mung 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. \u00dcber die hunderten Meter, die die Oberfl\u00e4che von der D\u00e4mmerungszone trennen, \u00fcbersetzt sich diese Verlangsamung in viele zus\u00e4tzliche Tage der Exposition gegen\u00fcber hungrigen Mikroben und Zooplankton.<\/p>\n Beobachtungen im offenen Ozean spiegeln diese Laborergebnisse wider. Bildaufnahmen nat\u00fcrlicher Aggregate haben Meeresschnee mit Schleim\u00fcberz\u00fcgen und hinterziehendem filament\u00f6sem Material gezeigt, das sich beim Absinken in schwanz\u00e4hnliche Strukturen<\/a> verformt. Diese Schw\u00e4nze wirken wie Fallschirme und verz\u00f6gern den Abstieg zus\u00e4tzlich. Netto bewirkt die Biologie also nicht nur, dass Ballast wegge\u00e4tzt wird, sondern sie formt die verbleibende organische Substanz auch in weniger stromlinienf\u00f6rmige Formen um.<\/p>\n Die kombinierte Wirkung ist eine Art Doppelbremse. Bakterien entfernen dichte mineralische Komponenten, die Partikel beschweren, w\u00e4hrend Biogele den Widerstand erh\u00f6hen und die leichteren Aggregate l\u00e4nger suspendiert halten. Beide Mechanismen verl\u00e4ngern die Verweildauer eines Partikels in der oberen Wassers\u00e4ule, wo heterotrophe Bakterien organische Substanz verstoffwechseln und wieder in gel\u00f6stes CO2<\/sub> umwandeln. Mikrobielle \u201eR\u00e4uber\u201c bilden eine unsichtbare Wolke, die dem Meeresschnee folgt, w\u00e4hrend er durch die Wassers\u00e4ule wandert, ihn in immer kleinere kohlenstoffhaltige St\u00fccke zerlegt und die insgesamt verf\u00fcgbare Oberfl\u00e4che f\u00fcr weitere Zersetzung vergr\u00f6\u00dfert.<\/p>\n Die Geschichte endet nicht in der lichtdurchfluteten Zone. Wenn Partikel tiefer sinken, ver\u00e4ndert der steigende hydrostatische Druck mikrobiellen Gemeinschaften und ihr Stoffwechselverhalten. Experimente, die nat\u00fcrliche Aggregate in den dort herrschenden Druckverh\u00e4ltnissen untersuchten, fanden, dass Kompression die mikrobielle Atmung und Zersetzungsprozesse auf Meeresschnee ver\u00e4ndert und damit beeinflusst, wie viel Kohlenstoff remineralisiert<\/a> 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.<\/p>\n Eine verwandte Studie zu sinkenden organischen Partikeln zeigte, dass Meeresschnee beginnt, gel\u00f6sten Kohlenstoff und Stickstoff zu verlieren, sobald er Tiefen erreicht, in denen der Druck intensiv ist, und damit Tiefseemikroben einen unerwarteten Energieschub<\/a> liefert. Viele Aggregate kommen also nicht als versiegelte Pakete partiellen Kohlenstoffs an, sondern werden unterwegs teilweise \u201eausgepackt\u201c und geben gel\u00f6ste organische Verbindungen ab, die noch vor dem Erreichen des Meeresbodens konsumiert werden k\u00f6nnen.<\/p>\nSchleim, Biogele und das Problem des Str\u00f6mungswiderstands<\/h2>\n
Druck bringt eine zus\u00e4tzliche Komplexit\u00e4tsebene<\/h2>\n