Einblick in die biologische Kohlenstoffpumpe im Meer

Die Ozeane spielen im globalen Kohlendioxid-Haushalt eine wichtige Rolle. Denn in ihnen leben Abermilliarden von winzigen Algen, die mittels Photosynthese das Kohlendioxid aufnehmen und in ihre Biomasse einbauen. Wenn diese Algen absterben, rieseln sie – zusammen mit den Ausscheidungen der kleinen Krebschen, die sich von ihnen ernähren – als so genannter Meeresschnee in tiefere Zonen hinab, wo ungefähr ein Prozent des eingebauten Kohlendioxids für Tausende von Jahren im Meeresgrund begraben wird.

Leise rieselt der Meeresschnee

Weil dieser anhaltende Niederschlag von Meeresschneeflocken Kohlenstoff in die Meerestiefen abführt, wird er von Fachpersonen auch als biologische Pumpe bezeichnet. Die Leistung der biologischen Kohlenstoffpumpe wird im Wesentlichen durch zwei gegenläufige Vorgänge bestimmt: Das Absinken der organischen Flocken und ihre Zersetzung durch Bakterien. Sinkende Flocken erhöhen den Kohlenstofffluss in die Tiefe, während die abbauenden Bakterien den Kohlenstofffluss verringern, indem sie Kohlenstoff aus den sinkenden Partikeln entfernen. Aktuelle Ozean-Modelle gehen davon aus, dass die beiden Vorgänge – Sinkgeschwindigkeit und Abbaurate – unabhängig voneinander sind. «Doch wir haben gezeigt, dass sich die Zersetzungsprozesse durch das Absinken beschleunigen», sagt Uria Alcolombri vom Institut für Umweltingenieurwissenschaften der ETH Zürich.

Alcolombri ist Erstautor einer soeben in der Fachzeitschrift externe Seite Nature Geoscience erschienenen Studie der Forschungsgruppe um Roman Stocker. Für ihre Untersuchungen bedienten sich die Forschenden eines Tricks: Anstatt sinkende Flocken im Meer zu verfolgen, steckten sie einzelne millimeterkleine Alginat-Partikel in eine Mikrofluidik-Kammer, durch die sie künstliches Meerwasser pumpten. «In unseren Versuchen bewegten sich nicht die Schneeflocken durch das Meer, sondern das Meer umspülte die Schneeflocken. Doch die relative Geschwindigkeit bleibt gleich», sagt Alcolombri.

Fortgeschwemmte Abbauprodukte

Die Alginat-Partikel besiedelten die Forschenden mit gentechnisch veränderten, grün leuchtenden Bakterien. Diese bauten die Flocken viel rascher ab, wenn das Wasser durch die Kammer floss. Dass die Zersetzung der Partikel in stillem Wasser etwa zehn Mal länger dauert, erklären sich die Forschenden damit, dass die Abbauprodukte im fliessenden Wasser fortgeschwemmt werden. Dadurch verrichten die Enzyme der Bakterien ihre Arbeit ausschliesslich auf den Partikeln, ohne sich mit der weiteren Zerlegung der bereits abgespaltenen Moleküle aufzuhalten.

Gestützt auf diese Beobachtung haben Alcolombri und sein Kollege François Peaudecerf ein neues Modell der biologischen Kohlenstoffpumpe im Meer entworfen, das den Einfluss des Absinkens auf die Zersetzung der Flocken berücksichtigt. Die Modellrechnungen legen nahe, dass der sinkbedingt verstärkte Partikelabbau die theoretische Transporteffizienz der Kohlenstoffpumpe auf die Hälfte reduziert. Und dass ein Grossteil der abgestorbenen Algen schon in den obersten Schichten des Ozeans abgebaut wird, was mit den Messungen des realen Kohlenstofftransports im Meer genau übereinstimmt.

Das Kleinste wirkt sich auf das grosse Ganze aus

Alcolombri sagt, dass seine Forschung nicht den Zweck habe, die Leistung der biologischen Kohlenstoffpumpe zu steigern, sondern: «Uns geht es um das grundlegende Verständnis der natürlichen Prozesse. Wir wollten wissen, wie die biologische Pumpe funktioniert», sagt Alcolombri. «Dieses Verständnis ist wichtig, wenn wir besser vorhersagen wollen, wie unsere Ozeane auf den Klimawandel reagieren.»

Dass sich dabei herausgestellt hat, dass die Abbaurate von Meeresschnee – und indirekt auch der globale Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre – von einer mikroskopischen Transportdynamik bestimmt wird, zeigt einmal mehr, dass sich in der Umwelt auch winzig kleine Dinge auf das grosse Ganze auswirken können.