Schema der Biologische Kohlenstoffpumpe. Grafik: Susanne Neuer mit Fotos von Yuuki Niimi, Bianca Cruz und Francesca De Martini

Mikroskopaufnahme eines gefärbten Aggregates gefangen mit einer Partikelfalle in 150 Meter Tiefe in der Sargasso See. Die blaue Färbung zeigt das Gewebe der transparenten Partikel an. Foto: Bianca Cruz

Mikroskopaufnahme eines Aggregates gefangen mit einer Partikelfalle in 200 Meter Tiefe in der Sargasso See. Der Ausschnitt zeigt einen Teil des Aggregates in stärkerer Vergrößerung, die die winzigen Phytoplanktonzellen sichtbar macht. Photo: Bianca Cruz

Mikro-CT Scan eines Krills (Euphausia hemigibbba), Quelle: Yuuki Niimi

Doktorandin Bianca Cruz isoliert Partikel aus einem Gel Cup. Foto: Susanne Neuer

Roller Tanks simulieren die Partikelbildung im Meer. Foto: Susanne Neuer

Der Ozean nimmt etwa ein Viertel bis ein Drittel der jährlich durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe und das Abholzen alter Wälder freigesetzten Kohlenstoffdioxid-Emissionen auf. Einer der Mechanismen, der dafür verantwortlich ist, hat einen biologischen Ursprung und wird als biologische Kohlenstoffpumpe bezeichnet. Die biologische Kohlenstoffpumpe beginnt mit der Photosynthese winziger, mikroskopischer Algen, die Phytoplankton genannt werden. Sie erzeugen aus dem Kohlenstoffdioxid sowie gelösten Nährstoffen neue Zellen. Dies wird als Primärproduktion bezeichnet und ist die einzige Nahrungsquelle für die im Wasser lebenden Meerestiere und die heterotrophen Bakterien. Ihre Atmung führt zur Freisetzung des Kohlenstoffdioxids und der Nährstoffe, die das Phytoplankton akkumuliert hat, zurück ins Wasser, wo sie erneut vom Phytoplankton genutzt werden können. Die Photosynthese kann nur in der sonnenbeschienenen oberen Schicht des Ozeans, der euphotischen Zone stattfinden, die im offenen Ozean nur etwa 100 m tief ist. Der größte Teil des Ozeans unterhalb der euphotischen Zone ist die Dämmerungszone, in der das Licht von der Oberfläche abnimmt, bis der Ozean vollständig dunkel ist. Nur ein Bruchteil der Primärproduktion sinkt unter die euphotischen Zone und schließlich in die Dämmerungszone und wird somit für Jahrzehnte bis Jahrhunderte vom Kontakt mit der Atmosphäre entfernt. Dieses Sinken und die Speicherung organischer Materie, die ursprünglich vom Phytoplankton produziert wurde, ist die biologische Kohlenstoffpumpe.

Wie können das mikroskopisch kleine Phytoplankton und Bakterien in den tiefen Ozean sinken? Durch einen Prozess, der Aggregation genannt wird, bilden sich Partikel, die groß und schwer genug sind, um mit einer Sinkgeschwindigkeit von mehreren zehn bis hundert Metern zu sinken, und somit organischen Kohlenstoff in die Tiefen des Ozeans zu transportieren. An der Aggregation sind viele Prozesse beteiligt, die entscheidend für das Funktionieren der biologischen Kohlenstoffpumpe sind. Ein Prozess ist die Aggregation des Phytoplanktons und der Bakterien selbst. Dies ist möglich durch die Bildung von transparenten exopolymeren Partikeln, klebrigen Substanzen, die wie ein Gel wirken, das die Aggregate zusammenbindet. Diese Aggregate können groß genug werden, um mit bloßem Auge sichtbar zu sein und werden oft als Meeresschnee bezeichnet. Weil sie klebrig sind, können sie alle Arten von anderen winzigen Partikeln im Wasser sammeln, von denen einige Ton sind, der aus weit entfernten Wüstenregionen in den Ozean gelangt ist. Andere Bestandteile sind leere Schalen von Phytoplankton oder Häutungsreste oder Ausscheidungen von planktonischen Krebstieren. Diese Aggregate werden zu einem wahren Potpourri aus gesammelten kleinen Partikeln im Ozeanwasser, und einige werden schwer genug, um unter die euphotischen Zone in den tieferen Ozean zu sinken und somit den organischen Kohlenstoff mit sich zu nehmen.

Die planktonischen Krebstiere wie Ruderfusskrebse und Krill, die sich von Phytoplankton ernähren, sind in der Tat wichtige Vermittler der biologischen Kohlenstoffpumpe. Durch das Verpacken der Phytoplanktonbeute in Ausscheidungen, die in tiefere Gewässer sinken, erleichtert das Zooplankton den Transfer von Kohlenstoff in den tiefen Ozean. Unter dem Zooplankton gibt es wandernde Tiere, die lange Migrationen durchführen und die Nacht in der Oberfläche verbringen, wo sie sich von Phytoplankton ernähren, aber dann tagsüber in die Dämmerungszone des Ozeans abtauchen. Dies sind die größten Tierwanderungen, die auf der Erde bekannt sind. Diese Wanderer bringen ihre Nahrung in die Tiefe, und entfernen somit aktiv organischen Kohlenstoff. Es gibt aber auch ansässiges Zooplankton, das einfach unterhalb der euphotischen Zone sitzt und sinkende Partikel auffängt. Innerhalb der Dämmerungszone verpacken und modifizieren diese kleinen planktonischen Tiere anschließend den Regen von Partikeln.
 

Wie studieren wir den Partikelfluss im Ozean?
Zuerst müssen wir einzelne sinkende Partikel fangen. Wir haben diese Studien in der Sargassosee südlich von Bermuda durchgefuert, der Teil des Bermuda Atlantic Time-series Study-Standorts (BATS) ist, einer Station im Ozean, die seit 1988 jeden Monat mindestens einmal untersucht wird. Erst kürzlich konnten wir ein Set von Sammlungstuben mit Gelbechern hinzufügen, die es uns ermöglichen, die einzelnen Partikel zu sammeln und verschiedene Partikeltypen zu untersuchen. Wir tun dies durch Mikroskopie und durch Extraktion ihrer DNA, sodass wir einzelne Organismen identifizieren können, die jedem Partikel einen Fingerabdruck seiner Geschichte und seines Schicksals verleihen. Wir haben zum Beispiel herausgefunden, dass alle in dieser Region gesammelten Partikel von Zooplankton bearbeitet wurden. Wir wissen das, weil wir Bakterien in den Partikeln gefunden haben, die Teil des Zooplankton Mikrobioms sind. Diese Studien haben auch auf die Bedeutung des ansässigen Zooplanktons hingewiesen, das derzeit ein Forschungsschwerpunkt in meiner Arbeitsgruppe ist.

Im Labor untersuchen wir die Bildung von sinkenden Partikeln genauer. Wir tun dies, indem wir einzelne Arten von Phytoplankton oder Bakterien separat in Flaschen züchten; auf diese Weise können wir die Rolle jedes Organismus untersuchen. Im offenen Ozean gibt es ja eine große Vielzahl verschiederner Arten, was es nicht erlaubt, einzelne Organismen zu untersuchen. Wir züchten die Zellen in Flaschen und können ihre Bildung von TEP messen sowie die Größe und Häufigkeit der gebildeten Aggregate bestimmen. Dann füllen wir die Zellen in Rolltanks, die den offenen Ozean nachahmen. Wir finden, dass viele Arten des kleinsten Phytoplanktons TEP produzieren und Aggregate bilden. Nährstoffmangel erhöht in der Regel die TEP-Produktion und oft die Aggregatbildung, was wichtig ist, da viele Ozeanregionen nährstoffarm sind. Dies weist alles auf einen Mechanismus hin, der ihre Eingliederung in größere, sinkende Partikel und ihren Beitrag zum Kohlenstoffexport im Ozean ermöglicht. Wir haben sogar entdeckt, dass die Bakterien, von denen viele Partikel besiedeln, selbst sinkende Partikel bilden können, insbesondere wenn Ton hinzugefügt wird, der den Staub aus großen Wüstenregionen, zum Beispiel der Sahara, nachahmt.

Fazit
Es ist bemerkenswert, dass die oben beschriebenen Prozesse – die Bildung der sinkenden Partikel aus dem kleinsten Phytoplankton und Bakterien und ihre Nutzung durch die planktonischen Tiere – miteinander verbunden sind. Die Mundteile der Tiere erlauben es ihnen nicht, die winzigen einzelnen mikroskopischen Zellen zu erfassen, und nur durch die Bildung von Aggregaten wird ihnen diese Futterquelle erschlossen. So sind viele Prozesse am Werk, die es den winzigsten Zellen ermöglichen, in große Ozeantiefen zu sinken, was zur Entfernung von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre beiträgt. Dieser Prozess ist in dieser Zeit des Klimawandels von großer Bedeutung. Aber nicht nur das, diese winzigen Zellen erlauben das Leben der planktonischen Tiere im tiefen Ozean wie auch auf dem Meeresboden. Das nächste Mal, wenn Sie auf den Ozean schauen, denken Sie an all das mikroskopische Leben im Wasser und alles, was dieses für das Wohl unseres Planeten tut.

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