Reaktionen mikrobieller Gemeinschaften auf verstärkte benthische Verwitterung (EBW) als Strategie zur CO₂-Entnahme (CDR)

Die verstärkte benthische Verwitterung (Enhanced Benthic Weathering, EBW) gilt als vielversprechende Strategie zur Entnahme von Kohlenstoffdioxid (carbon dioxide removal, CDR). In der Ostsee werden saisonal hypoxische Bodenwasserschichten als idealer Ort für die Umsetzung von EBW betrachtet. Die Zugabe von alkalischen Mineralien (z. B. Calcit und Dunit) zum Meeresboden beschleunigt die Verwitterung, setzt Alkalinität in der Wassersäule frei und fördert somit die CO₂-Entnahme. Rückkopplungen durch mikrobielle Stoffwechselprozesse sind bisher jedoch weitgehend unbekannt.

RETAKE I  - Verstärkte benthische Verwitterung von Karbonat und Olivine in der Ostsee (AP1.4) (2021-2024)

In der ersten Phase von RETAKE I lag der Fokus auf der Frage, welches der alkalischen Minerale, Calcit oder Dunit, für die CO₂-Entnahme besonders geeignet ist, wenn es auf Sedimentoberflächen in der Ostsee eingebracht wird. Hierfür wurden (i) Sedimentkerninkubationen unter vollständig oxischen sowie unter sauerstoffarmen Bodenwasserbedingungen sowie (ii) sogenannte Benthokosmenexperimente durchgeführt (vgl. Fuhr et al. 2024, Fuhr et al. 2025; Dale et al. 2024). Ergebnisse der Experimente zeigten auf, dass Calcit ein bis zu 10-fach höheres CO₂ Entnahme Potenzial aufweist als Dunit (Fuhr et al. 2025).

Um nun die Auswirkungen von beschleunigter benthischer Verwitterung auf die benthische mikrobielle Gemeinschaft und ihre Metabolismen zu untersuchen wurde, 16S Amplicon Sequenzierung, CARD-FISH, Zellzählungen wie auch metagenomische und transkriptomische Analysen kombiniert. Basierend auf RNA-Analysen zeigten sich unter oxischen Bedingungen keine eindeutigen Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaften infolge der Mineralzugabe (Fuhr et al. 2024). Im Gegensatz dazu konnte in späteren Arbeiten zu Sedimentkerninkubationen unter sauerstoffarmen Bedingungen ein deutlicher Wandel mikrobieller Gemeinschaften (nachgewiesen durch Metagenomik und Transkriptomik) in Verbindung mit Calcit-Zugabe festgestellt werden – was wiederum die Alkalinitätsfreisetzung begünstigte (Bährle et al., in Begutachtung).

Die Auswertung der Benthokosmen hinsichtlich der Auswirkungen von EBW auf die Zusammensetzung und Funktionalität mikrobieller Gemeinschaften ist aktuell noch in Arbeit.

RETAKE I - Team

Projektleiter
Sonja Geilert (Biogeochemie) (Lead: 2021-2023)
Mirjam Perner (Geomikrobiologie)
Andy Dale (Biogeochemie)

Doktorand*innen
Michael Fuhr (Biogeochemie)
Isabel Diercks (Geomikrobiologie) (09/2021-05/2023)
Rebecca Bährle (Geomikrobiologie) (2022-2024)

Assoziierte Partner
Frank Ohnemüller (Lime & Morter Industrie)
Frank Melzner (Invertebraten)

RETAKE II - Verstärkte benthische Verwitterung von Karbonatgesteinen: Experimente in saisonal und dauerhaft anoxischen Bodenwassern der Ostsee (AP1.4) (2024-2027)

In der ersten Projektphase zeigten sich deutliche Abweichungen zwischen den experimentellen Daten und den Vorhersagen komplexer numerischer Modelle hinsichtlich des Potenzials zur CO₂-Entnahme. Diese Diskrepanzen sind vermutlich auf Unterschiede in der Mineralsättigung des Bodenwassers, den Redoxbedingungen sowie auf die sukzessive Entwicklung mikrobieller Gemeinschaften unter Laborbedingungen bei Sedimentkern-Inkubationen zurückzuführen. Daher sind ergänzende Experimente unter natürlichen In-situ Bedingungen notwendig.

Im Rahmen von RETAKE II werden Experimente mit den Bigo (Biogeochemisches Observatorium) Lander-Systemen in verschiedenen Regionen der Ostsee durchgeführt – sowohl in saisonal hypoxischen Bereichen (Boknis Eck, Eckernförder Bucht) als auch in dauerhaft anoxischen Zonen (Gotland-Becken). Die BIGO-Systeme verfügen über zwei benthische Kammern, eine Vielzahl an Sensoren sowie über die Möglichkeit, Wasserproben aus den Kammern während der Experimente direkt vor Ort zu fixieren und zu entnehmen.

Ein neu entwickeltes System zur Calcit-Zugabe erlaubt es, gezielt Calcit in eine der Kammern einzubringen, während die zweite Kammer als unbehandelte Kontrolle dient. Auf diese Weise werden über einen Zeitraum von drei Wochen chemische und mikrobiologische Veränderungen am Meeresboden nach Calcit-Zugabe beobachtet. Nach Abschluss der In-situ-Experimente werden die Sedimente geborgen und für weiterführende mikrobiologische und geochemische Analysen untersucht.

Projektrelevante Publikationen und Präsentationen:

RETAKE II

Perner, M. et al. (2025) Calcite addition to surface sediments as a CO2 removal strategy in seasonal hypoxic coastal waters promotes cable bacteria and alters the biogeochemical cycle. [Talk] FEMS Microbiol. Milan, Italy

Fuhr, M., Wallmann, K., Perner, M. & A. Dale (2025). In situ incubation experiments to assess the potential for calcite based ocean alkalinity enhancement. [Talk] College de Liège

Bährle, R. J., Baaske, R., Bornemann, T. L. V., Fuhr, M., Böhnke, S., Soares, A., Dale, A. W., Probst, A. J., Geilert, S. und Perner, M. (in review) Calcite addition to surface sediments as a CDR strategy in seasonal hypoxic coastal waters promotes cable bacteria and changes element cycling. ISME Communications: New Developments in Microbial Ecology

Fuhr, M., Dale, A. W. , Wallmann, K. , Bährle, R. J., Kalapurakkal, H. T., Sommer, S., Spiegel, T., Dobashi, R., Buchholz, B., Schmidt, M., Perner, M. und Geilert, S. (2025) Calcite is an efficient and low-cost material to enhance benthic weathering in shelf sediments of the Baltic Sea. Communications Earth & Environment, 8 . Art.Nr. 106 (2025). DOI 10.1038/s43247-025-02079-6.

Perner, M. (2025) Field-experiments for enhanced benthic weathering and its consequences in the German coastal SW Baltic Sea (Seafloor AE) - Cruise report FK Littorina, Cruise L25-02b (prev. AL626), MzB Helmsand and MzB HELIOS, 06. February - 24. February 2025. GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, 6 pp.

Perner, M. , Bährle, R. J., Baaske, R., Bornemann, T. L. V., Fuhr, M., Böhnke, S., Soares, A., Dale, A. W. , Probst, A. J. und Geilert, S. (2025) Enhanced benthic weathering as a CO2 removal strategy in seasonal hypoxic coastal waters of the Baltic Sea is influenced by cable bacteria activity after re-ventilation of bottom waters. [Talk] In: Annual Conference of the Association for General and Applied Microbiology, 23.-26.03.2025, Bochum, Germany.

Dale, A. W. , Geilert, S. , Diercks, I., Fuhr, M., Perner, M. , Scholz, F. und Wallmann, K. (2024) Seafloor alkalinity enhancement as a carbon dioxide removal strategy in the Baltic Sea. Communications Earth & Environment, 5 . Art.Nr. 452. DOI 10.1038/s43247-024-01569-3.

Bährle, R., Böhnke-Brandt, R., Fuhr, M., Dale, A. and M. Perner (2024). Reactions of the microbial community in benthic alkalinity enhancement experiments. VAAM, Würzburg.

RETAKE I

Fuhr, M., Wallmann, K., Dale, A. W. , Diercks, I., Kalapurakkal, H. T., Schmidt, M. , Sommer, S., Böhnke, S., Perner, M.und Geilert, S.(2023) Disentangling artificial and natural benthic weathering in organic rich Baltic Sea sediments.  Frontiers in Climate, 5 . Art.Nr. 1245580. DOI 10.3389/fclim.2023.1245580.

Diercks, I.,Geilert, S., Böhnke-Brandt, S., Dale, A.W., Fuhr, M., Perner, M. (2022). Interactions between microbial activity and enhanced benthic weathering of carbonate and olivine in the Baltic Sea. ePoster auf der VAAM Jahrestagung 2022

Diercks, I.,Geilert, S., Dale, A.W., Fuhr, M. and Perner, M. (2022). Interactions between microbial activity and enhanced benthic weathering in the Baltic Sea to analyse the potential, benefits and risks of a marine CDR strategy. YOUMARES13, Berlin.