Neues MIT-Ergebnis: Bakterien im marinen Schnee beeinflussen Kohlenstoff und Kalziumkarbonat

Stellen Sie sich vor, im tiefen Ozean würde Schnee fallen. So ungewöhnlich das klingt: Unter der Wasseroberfläche passiert jeden Tag etwas sehr Ähnliches. Winzige Partikel treiben gemächlich nach unten und wirken dabei wie Schneeflocken, die durch das Wasser sinken.

Fachleute bezeichnen dieses Phänomen als marinen Schnee. Dieser unscheinbare „Niederschlag“ aus organischem Material trägt dazu bei, dass der Ozean enorme Mengen Kohlenstoff speichert – und ist damit ein wichtiger Baustein im Klimasystem der Erde.

Eine neue Studie des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und weiterer beteiligter Einrichtungen zeigt nun, dass winzige Bakterien, die auf solchen Partikeln mitreisen, beeinflussen können, wie weit mariner Schnee tatsächlich in die Tiefe gelangt.

Die Ergebnisse könnten helfen, besser zu verstehen, wie der Ozean Kohlenstoff langfristig einlagert – und welchen Anteil Mikroben an den Rückkopplungen im Klimasystem unseres Planeten haben.

Was mariner Schnee eigentlich ist

Mariner Schnee entsteht, wenn sich kleine Brocken organischen Materials im Meer zusammenballen. Abgestorbenes Plankton, Ausscheidungen von Meerestieren und Fragmente verrottender Organismen verklumpen und sinken dann langsam durch die Wassersäule.

Dieses fallende Material kann mehrere Kilometer zurücklegen, bevor es den Meeresboden erreicht. Ein Teil der Partikel wird dort in Sedimente eingebaut und kann über Tausende Jahre hinweg vergraben bleiben.

Der langsame Partikelregen leistet allerdings weit mehr, als nur die Oberfläche „aufzuräumen“. Mit dem marinen Schnee wird Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Tiefsee transportiert.

Diesen Mechanismus nennen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler häufig die biologische Pumpe des Ozeans, weil sie Kohlenstoff von den oberen Wasserschichten wegzieht und ihn in großer Tiefe speichert.

Plankton bringt Kohlenstoff in den Ozean

Der Prozess beginnt nahe der Meeresoberfläche. Winzige, pflanzenähnliche Organismen – das Phytoplankton – nehmen während der Photosynthese Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf.

Im Inneren dieser Organismen wird das Kohlendioxid in andere kohlenstoffhaltige Stoffe umgewandelt. Eine zentrale Substanz ist dabei Kalziumkarbonat, ein Mineral, aus dem viele Meeresorganismen ihre Schalen bilden und das auch in Korallen vorkommt.

Sterben Plankton und andere kleine Lebewesen ab, werden ihre Überreste Teil des marinen Schnees.

Kalziumkarbonat wirkt dabei wie ein schwerer Ballast: Es beschleunigt das Absinken der Partikel. Enthält ein Partikel mehr von diesem Mineral, sinkt er schneller und kann Kohlenstoff in größere Tiefen mitnehmen.

Das Kalzium-Rätsel

Über viele Jahre gingen Forschende davon aus, dass Kalziumkarbonat in fester Form bleibt, solange sich mariner Schnee durch die oberen Schichten des Ozeans bewegt. Temperatur und Wasserchemie sollten das Mineral in diesen Lagen eigentlich stabil halten.

Trotzdem beobachteten Ozeanografinnen und Ozeanografen immer wieder gelöstes Kalziumkarbonat bereits in relativ flachen Gewässern. Offenbar wurde das Mineral deutlich früher abgebaut, als man erwartet hatte.

Ein MIT-Team vermutete, dass die Erklärung nicht im großräumigen Zustand des Ozeans liegt, sondern im Kleinen. Statt das gesamte Umfeld zu betrachten, richteten die Forschenden den Blick auf die winzige Mikroumgebung direkt um jedes einzelne sinkende Partikelkorn.

Winzige „Mitfahrer“ auf marinem Schnee

Mariner Schnee ist im Ozean selten allein unterwegs. Häufig heften sich Bakterien an die Partikel, weil sie dort eine besonders nährstoffreiche Nahrungsquelle finden.

„Was wir gezeigt haben, ist, dass Kohlenstoff möglicherweise nicht so tief oder so schnell absinkt, wie man erwarten würde“, sagt Andrew Babbin, Mitautor der Studie und außerordentlicher Professor am MIT.

„Wenn die Menschheit versucht, sich aus dem Problem von so viel CO2 in der Atmosphäre herauszukonstruieren, müssen wir diese natürlichen mikrobiellen Mechanismen und Rückkopplungen berücksichtigen.“

Während die Bakterien das organische Material des marinen Schnees abbauen, geben sie saure Abfallprodukte ab. Diese Säuren lösen nach und nach das Kalziumkarbonat auf, das den Partikeln sonst das nötige Gewicht für ein schnelles Absinken verleiht.

Marinen Schnee im Labor nachbilden

Um diesen Ablauf eindeutig zu erfassen, entwickelten die Forschenden ein kontrolliertes Experiment, das das Verhalten von absinkendem marinem Schnee nachstellt.

Der Hauptautor der Studie, Benedict Borer, der inzwischen an der Rutgers University arbeitet, half dabei, künstliche Partikel als „marinen Schnee“ herzustellen. Jede dieser Partikelproben enthielt unterschiedliche Mengen an Kalziumkarbonat und Bakterien.

Anschließend brachte das Team die Partikel in einen kleinen Mikrofluidik-Chip ein. Durch den Chip strömte Meerwasser mit variierenden Fließgeschwindigkeiten, sodass sich unterschiedliche Sinkraten – wie im Ozean – simulieren ließen.

Die überraschende Rolle der Sinkgeschwindigkeit

Das Experiment zeigte ein klares Muster: Sobald sich Bakterien auf einem Partikel befanden, ging ein Teil des Kalziumkarbonats in Lösung und gelangte in das umgebende Meerwasser.

Wie viel Mineral verschwand, hing stark von der Sinkgeschwindigkeit ab. Sanken Partikel sehr langsam, erhielten die Bakterien nur wenig Sauerstoff aus dem umliegenden Wasser. Der Sauerstoffmangel drosselte die Aktivität der Mikroben und bremste damit auch die Auflösung.

Bei sehr schnellem Absinken ergab sich ein anderes Bild. Zwar stand den Bakterien weiterhin ausreichend Sauerstoff zur Verfügung, doch die Strömung spülte die sauren Abfallstoffe fort, bevor sie das Kalziumkarbonat deutlich angreifen konnten.

Am stärksten war der Effekt bei mittleren Sinkgeschwindigkeiten. In diesem Bereich bekamen die Bakterien genug Sauerstoff, während die Abfallprodukte gleichzeitig nahe am Partikel verblieben. Dadurch konnten die Mikroben Kalziumkarbonat besonders effizient lösen.

Warum das fürs Klima wichtig ist

Mariner Schnee transportiert jedes Jahr Milliarden Tonnen Kohlenstoff aus der Oberflächenschicht des Ozeans in Richtung Tiefsee. Gelingt das Absinken, kann der Ozean Kohlenstoff über Hunderte oder sogar Tausende Jahre speichern.

Die neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass mikroskopisch kleine Bakterien diesen Transfer verlangsamen können, indem sie den Ballast schwächen, der Partikel nach unten zieht. Sinkt ein Partikel langsamer, verweilt er länger in flacheren Wasserschichten, wo Organismen ihn eher abbauen – und dabei Kohlendioxid wieder freisetzen können.

„Erkenntnisse aus dieser Arbeit sind entscheidend, um vorherzusagen, wie Ökosysteme auf Versuche zur marinen Kohlendioxid-Entnahme reagieren werden, und ganz allgemein, wie sich die Ozeane als Reaktion auf zukünftige Klimaszenarien verändern“, ergänzte Benedict Borer.

Auch wenn mariner Schnee auf den ersten Blick schlicht wirkt, entscheiden die winzigen Mikroben auf jedem Partikel mit darüber, wie viel Kohlenstoff im Ozean langfristig gespeichert wird. Wenn diese unsichtbaren Prozesse besser verstanden sind, lassen sich die Reaktionen des Ozeans auf den Klimawandel und auf künftige Maßnahmen zur Kohlenstoffentnahme genauer abschätzen.