Marine Mikroorganismen steuern biogeochemische Austauschprozesse zwischen dem Oberflächenozean und der Atmosphäre sowie zwischen dem Oberflächenozean und der Tiefsee. Zur Untersuchung des mikrobiellen Kreislaufs von gelösten und partikulären organischen Stoffen befassen sich unsere Studien mit Prozessen der Produktion und Ausscheidung, der Aufnahme und Atmung, der Umwandlung sowie der Aggregation und des Exports von Partikeln.
Zu den Forschungsansätzen im Zusammenhang mit dem marinen Kohlenstoffkreislauf gehören zusammensetzungs- und größenspezifische Analysen organischer Stoffe in Verbindung mit mikrobiellen Ratenmessungen, Inkubationsexperimente, Kulturstudien mit einzelnen Arten/Stämmen unter gut kontrollierten Laborbedingungen, Feldexperimente, Felduntersuchungen über natürliche Gradienten wichtiger Umweltparameter, um Raum durch Zeit zu ersetzen, und numerische Modellierung von Ökosystemen und biogeochemischen Prozessen. Unsere Feldstudien führen uns von der eisbedeckten Polarregion bis hin zu den warmen tropischen Meeren.
In der sonnenbeschienenen Schicht des Ozeans bilden mikroskopisch kleine Algen die Grundlage des marinen Nahrungsnetzes. Ein Teil des Kohlenstoffs, den sie enthalten, sinkt in das Innere des Ozeans (>100 m) und versorgt die dunklen Ozean- und Benthosgemeinschaften mit Energie. Dieser biologisch vermittelte Prozess wird als biologische Kohlenstoffpumpe bezeichnet. Die biologische Kohlenstoffpumpe ist für das Erdsystem wichtig, weil sie einen Teil des anthropogenen Anstiegs der CO2-Konzentration in der Atmosphäre abschwächt. Die Faktoren, die die biologische Kohlenstoffpumpe antreiben, sind jedoch noch nicht eindeutig geklärt.
Die biologische Pumpe ist eine Ökosystemleistung, die die atmosphärische CO2-Konzentration beeinflusst, indem sie gelöste und partikuläre biogene Elemente (C:N:P) in das Innere des Ozeans transportiert. Ohne die biologische Kohlenstoffpumpe (BCP) wäre die atmosphärische CO2-Konzentration doppelt so hoch wie die derzeitige Konzentration. Die derzeitigen Schätzungen der globalen Stärke der BCP gehen weit auseinander (5-20 GtC pro Jahr). Sowohl die Unsicherheiten im Zusammenhang mit seiner zeitlichen und räumlichen Dynamik als auch seine mechanistische Darstellung in numerischen Modellen verhindern eine bessere Schätzung. Folglich sind Vorhersagen über den BCP in Bezug auf Erwärmung, zunehmende Schichtung, Versauerung und Anoxie derzeit zweifelhaft.
Wir verfolgen einen doppelten Ansatz: (1) Wir nutzen laborkontrollierte Experimente, um ein mechanistisches Verständnis der am BCP beteiligten Prozesse zu gewinnen. Dazu gehört das Verständnis der Veränderungen in der Phytoplanktonphysiologie, die die Sekretion klebriger Verbindungen (transparente Exopolymere) fördern, die die Partikelbildung begünstigen, sowie der heterotrophen Wege des Abbaus partikulärer organischer Stoffe, die sich aus klimabedingten Veränderungen der CO2- und O2-Konzentration oder der Qualität organischer Stoffe ergeben. Wir untersuchen auch die Auswirkungen zunehmender anthropogener Schadstoffe wie Mikroplastik auf Prozesse, die mit der biologischen Kohlenstoffpumpe verbunden sind. (2) Wir nutzen Feldstudien, um unsere Erkenntnisse über die biologische Kohlenstoffpumpe in vitro zu testen und zu parametrisieren, indem wir innovative Instrumente wie Sedimentfallen und Bioassays zum Partikelabbau einsetzen. Außerdem bieten Feldstudien die einzigartige Möglichkeit, die biologische Kohlenstoffpumpe quantitativ zu bewerten. Die Ergebnisse werden dann verwendet, um die biologische Kohlenstoffpumpe in numerischen Modellen besser aufzulösen und weiter in große IPCC-ähnliche Simulationen des Erdsystems zu integrieren. Unser Ansatz nutzt innovative Technologien wie die an der Oberfläche befestigten Sedimentfallen und verschiedene Partikelinkubationssysteme, die in Zusammenarbeit mit dem Technischen und Logistischen Zentrum (TLZ) des GEOMAR entwickelt wurden.
Aktuelle Projekte:
Heterotrophe Bakterien sind die Hauptproduzenten von CO2 im Ozean und wirken damit dem biologischen CO2-Abbau durch die Primärproduktion entgegen. Der Transfer von organischem Kohlenstoff in die Tiefsee und die anschließende langfristige Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre werden durch heterotrophe Recyclingprozesse, die anorganische Nährstoffe und CO2 im mikrobiellen Kreislauf regenerieren, stark abgeschwächt. Die bakterielle Aktivität im Ozean wird durch zahlreiche abiotische und biotische Umweltfaktoren gesteuert. Die wichtigsten Faktoren, die das Wachstum und die Aktivität der Bakterien einschränken, sind die Temperatur und die Verfügbarkeit von organischem Material und anorganischen Nährstoffen. Die Auswirkungen des Klimawandels auf heterotrophe Prozesse, die durch die bakterielle Aktivität im Ozean gesteuert werden, sind noch weitgehend unbekannt. In den letzten zehn Jahren durchgeführte Studien haben gezeigt, dass Erwärmung und Versauerung die heterotrophe bakterielle Aktivität stark fördern können. Eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen autotropher Kohlenstofffixierung und heterotropher Wiederverwertung hätte ein hohes Potenzial, die biogenen Kohlenstoffflüsse im Ozean zu verändern. Unsere Studien untersuchen die Auswirkungen von Erwärmung, Versauerung und Sauerstoffentzug auf den bakteriellen Umsatz von organischem Material und zielen darauf ab, Prozesse zu identifizieren, die potenziell empfindlich auf bevorstehende Veränderungen in der Meeresumwelt reagieren.
Projekte:
Die euphotische Zone ist der wichtigste Ort für die Produktion gelöster organischer Stoffe (DOM) im offenen Ozean. Für die Nettoakkumulation von DOM im Ozean sind verschiedene Mechanismen verantwortlich, wie die Freisetzung durch Phytoplankton, die Freisetzung und Ausscheidung durch Weidegänger, die Freisetzung durch virale oder bakterielle Zelllyse, die Remineralisierung von Partikeln und die Freisetzung durch Prokaryoten. In der Wassersäule erfährt die DOM zahlreiche biotische und abiotische Strukturveränderungen, die zur Bildung verschiedener organischer Verbindungen führen. Daher ist ozeanisches DOM ein komplexes Gemisch von Molekülen, die durch biotische und abiotische Prozesse im Ozean entstehen.
DOM dient als wichtige Energie- und Nährstoffquelle für marine heterotrophe Gemeinschaften. Leicht bioverfügbares DOM wird innerhalb von Stunden bis Tagen aufgezehrt. Die DOM-Fraktion, die gegenüber mikrobiellem Abbau resistent ist, kann über Monate bis Jahrtausende im Inneren des Ozeans verbleiben und dient daher als wichtige Senke für atmosphärisches CO2. Eine wichtige Senke für DOM ist die Bildung von organischen Gelen, d. h. transparenten Exopolymerpartikeln (TEP) und koomassestabilen Partikeln (CSP). DOM kann sich selbst zusammensetzen und poröse Mikrogele bilden, die reversibel Material mit DOM und partikulärem organischem Kohlenstoff (POM) austauschen oder weiter zu Makrogelen aggregieren können und so eine wichtige Verbindung zwischen den DOM- und POM-Pools darstellen. Wir untersuchen die Verteilung, die Zusammensetzung und den Kreislauf von DOM sowie seine Aufteilung auf POM in klimarelevanten Gebieten. Da DOM ein komplexes Gemisch organischer Verbindungen ist, verwenden wir verschiedene Ansätze, um etwas über die Qualität von DOM zu erfahren.
Chemisch charakterisierbare DOM-Verbindungen, wie Kohlenhydrate (DCHO) und Aminosäuren (DHAA), können bis zu 30 % des gelösten organischen Kohlenstoffs im Ozean ausmachen. DCHO und DHAA stellen die labilste/semilabilste Fraktion von DOM im Ozean dar und ihre Verweildauer in der Wassersäule ist relativ kurz (Minuten bis Monate). Messungen von DCHO und DHAA liefern wichtige Informationen über die Bioverfügbarkeit von DOM an Standorten im offenen Ozean und über den mikrobiellen DOM-Verbrauch während Inkubationsexperimenten. Der Anteil des gesamten DOM, der Licht (230-700 nm) absorbiert, d.h. chromophores DOM (CDOM), und der Anteil des CDOM, der fluoreszieren kann, d.h. fluoreszierendes DOM (FDOM), geben zusätzliche Informationen über den DOM-Kreislauf. Die spektralen Eigenschaften von CDOM und die FDOM-Komponenten können zur Untersuchung von Veränderungen des relativen Molekulargewichts von DOM und zur Unterscheidung zwischen verschiedenen Pools organischer Materie, einschließlich proteinartiger DOM und humusartiger Substanzen, verwendet werden.
Projekte:
Von der Oberfläche aus mag der Ozean gleichförmig und glatt erscheinen, aber so wie es in der Atmosphäre Fronten und Wirbel gibt - die Hoch- und Tiefdruckgebiete auf den Wetterkarten, die das sonnige oder regnerische Wetter bestimmen - gibt es auch im Ozean Fronten und Wirbel. Diese so genannten mesoskaligen Wirbel sind allgegenwärtige Phänomene in Küstenregionen und an Strömungsfronten mit horizontalen Skalen in der Größenordnung von 100 km und Zeitskalen in der Größenordnung von einem Monat. In küstennahen Auftriebssystemen bilden sich mesoskalige Wirbel durch das Zusammenspiel von Meeresströmungen und Winden, und sie beeinflussen die physikalischen, biogeochemischen und biologischen Eigenschaften des Ozeans erheblich. Beispielsweise sind mesoskalige Wirbel wichtige Transportmittel für den Transport von Wassermassen aus den östlichen Auftriebssystemen, die zu den produktivsten marinen Ökosystemen gehören, in den offenen oligotrophen Ozean. Diese Wassermassen sind reich an Kohlenstoff und Nährstoffen, was sich sowohl auf die Primärproduktion als auch auf die Exportflüsse auswirkt, was wiederum Folgen für die Verteilung von Sauerstoff durch lokal variable Remineralisierungsprozesse hat. Da die Sauerstoffkonzentration einer der wichtigsten Einflussfaktoren für die Verteilung größerer pelagischer Organismen wie Zooplankton sowie meso- und epipelagischer Fische ist, haben mesoskalige Aktivitäten in und um küstennahe Auftriebssysteme auch sozioökonomische Auswirkungen. Es wird ferner angenommen, dass der Klimawandel die Eigenschaften und Statistiken ozeanischer Wirbel verändern wird, was wahrscheinlich tiefgreifende Auswirkungen auf die Dynamik und die Funktionen dieser Systeme haben wird.
Im Rahmen des REEBUS-Projekts (Role of Eddies in the Carbon Pump of Eastern Boundary Upwelling Systems - Demonstration Case Canary Current System) untersuchten wir die Rolle mesoskaliger Wirbel für den lateralen Transport biogeochemischer Eigenschaften und ihre Kopplung an die biologische Kohlenstoffpumpe im Kanarenstromsystem in einer wirklich gemeinschaftlichen Anstrengung. Unsere besonderen Ziele waren (1) die Bestimmung des Einflusses mesoskaliger Wirbel auf die Verteilung des organischen Kohlenstoffs im oberen Ozean, (2) das Verständnis der Einflüsse der Wirbeldynamik auf die mikrobielle Produktivität und den Umsatz organischer Stoffe und (3) die Bewertung der Rolle von EBUS bei der lateralen Zufuhr organischer Stoffe in den zentralen Atlantik.
Im Rahmen des Projekts konnten wir den Einfluss von zyklonalen Wirbeln, die sich in küstennahen Auftriebsgebieten bilden, auf den Kohlenstoffkreislauf beschreiben und quantifizieren. Wir konnten zeigen, dass Wirbel den Transport von frischem organischem Kohlenstoff von der Küste in den offenen Ozean verstärken und möglicherweise die Nettoheterotrophie im offenen Ozean unterstützen. Unsere Ergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass mesoskalige Wirbel Hotspots für den Export von organischem Kohlenstoff sind und wesentlich zur Kohlenstoffbindung im Ozean beitragen.
