Wissenschaftler liefern erste Feldbeobachtungen zur Kohlenstoffgewinnung aus Coccolithophoren

Coccolithophoren, eine weltweit allgegenwärtige Art von Phytoplankton, spielen eine wesentliche Rolle im Kohlenstoffkreislauf zwischen Ozean und Atmosphäre. Neue Forschungsergebnisse des Bigelow Laboratory for Ocean Sciences zeigen, dass diese lebenswichtigen Mikroben bei schlechten Lichtverhältnissen überleben können, indem sie gelöste organische Formen von Kohlenstoff aufnehmen, was Forscher dazu zwingt, die Prozesse zu überdenken, die den Kohlenstoffkreislauf im Ozean antreiben. Die Ergebnisse wurden diese Woche in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Die Fähigkeit, Kohlenstoff aus der direkten Absorption von gelöstem organischem Kohlenstoff zu extrahieren, wird als Osmotrophie bezeichnet. Obwohl Wissenschaftler zuvor Osmotrophie durch Coccolithophoren mithilfe von im Labor gezüchteten Kulturen beobachtet hatten, ist dies der erste Beweis für dieses Phänomen in der Natur.

Das Team unter der Leitung des leitenden Forschungswissenschaftlers William Balch führte seine Experimente in Populationen von Coccolithophoren im gesamten Nordwestatlantik durch. Sie maßen die Geschwindigkeit, mit der sich Phytoplankton von drei verschiedenen organischen Verbindungen ernährte, die jeweils mit chemischen Markern markiert waren, um sie nachverfolgen zu können. Die gelösten Verbindungen wurden von den Coccolithophoren als Kohlenstoffquelle sowohl für das organische Gewebe, aus dem ihre einzelnen Zellen bestehen, als auch für die anorganischen Mineralplatten, sogenannte Coccolithen, verwendet, die sie um sich herum absondern. Die Aufnahme der organischen Verbindungen verlief langsam im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit der Phytoplankton Kohlenstoff durch Photosynthese aufnehmen kann. Aber es war nicht zu vernachlässigen.

„Die Coccolithophoren gewinnen keinen ‚Wachstumswettlauf‘, indem sie diese gelösten organischen Materialien aufnehmen“, sagte Balch. „Sie sind gerade dabei, ihr Dasein zu fristen, aber sie können immer noch wachsen, wenn auch langsam.“

Pflanzen wie Coccolithophoren beziehen ihren Kohlenstoff für ihr Wachstum typischerweise aus anorganischen Formen von Kohlenstoff, die durch Photosynthese aus der Atmosphäre wie Kohlendioxid und Bikarbonat extrahiert werden. Wenn Coccolithophore sterben, sinken sie und befördern den gesamten Kohlenstoff auf den Meeresboden, wo er remineralisiert oder vergraben werden kann, wodurch er effektiv für Millionen von Jahren gebunden wird. Dieser Vorgang wird als biologische Kohlenstoffpumpe bezeichnet.

Als Teil eines parallelen Prozesses, der Alkalinitätspumpe genannt wird, wandeln Coccolithophore auch Bicarbonatmoleküle im Oberflächenwasser in Calciumcarbonat – im Wesentlichen Kalkstein – um, das ihre schützenden Coccolithen bildet. Wenn sie sterben und sinken, wird der gesamte dichte anorganische Kohlenstoff wiederum auf den Meeresboden verteilt. Ein Teil davon löst sich dann wieder in Bikarbonat auf und „pumpt“ so die Alkalität von der Oberfläche in die Tiefe.

Die neuen Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass Coccolithophore diese anorganischen Formen von Kohlenstoff nicht nur in der Nähe der Oberfläche nutzen. Sie nehmen auch gelösten organischen Kohlenstoff auf, den größten Vorrat an organischem Kohlenstoff im Meer, und binden einen Teil davon in ihren Coccolithen, die schließlich in der Tiefsee versinken. Dies deutet darauf hin, dass die Aufnahme dieser frei schwebenden organischen Verbindungen ein weiterer Schritt sowohl in den biologischen Pumpen als auch in den Alkalinitätspumpen ist, die den Transport von Kohlenstoff von der Meeresoberfläche in die Tiefe antreiben.

„Es gibt diese große Quelle gelösten organischen Kohlenstoffs im Ozean, von der wir immer angenommen haben, dass sie nicht wirklich mit dem Karbonatkreislauf im Meer zusammenhängt“, sagte Balch. „Jetzt sagen wir, dass ein Teil des Kohlenstoffs, der in die Tiefe gelangt, tatsächlich aus diesem riesigen Pool gelösten organischen Kohlenstoffs stammt.“

Dies ist die dritte und letzte Arbeit, die im Rahmen eines dreijährigen Projekts veröffentlicht wurde. Die Gesamtbemühungen wurden durch eine jahrzehntealte Dissertation von William Blankley inspiriert, einem Doktoranden am Scripps Institution of Oceanography, Balchs Alma Mater. In den 1960er Jahren gelang es Blankley, Coccolithophoren 60 Tage lang im Dunkeln zu züchten und ihnen Glycerin zuzuführen, eine der in der vorliegenden Studie verwendeten organischen Verbindungen. Leider verstarb er, bevor seine Forschungen veröffentlicht werden konnten. Die Tatsache, dass Blankleys Ergebnisse all diese Jahre später mit neuer Technologie reproduziert werden konnten, sei ein Verdienst der Qualität dieser frühen Arbeit, sagte Balch.

Die eigentliche Herausforderung der jüngsten Studie bestand jedoch darin, diese Forschung außerhalb einer kontrollierten Laborumgebung durchzuführen. Das Team musste eine Methode entwickeln, um diese organischen Verbindungen im Meerwasser zu messen – bei Umgebungskonzentrationen, die um Größenordnungen niedriger sind als bei den Blankley-Experimenten – und dann zu verfolgen, wie sie von wilden Coccolithophoren aufgenommen wurden.

„Wenn man Phytoplankton im Labor kultiviert, kann man so viel wachsen, wie man möchte. Aber im Meer nimmt man, was man bekommt“, sagte Balch. „Die Herausforderung bestand darin, in all dem Lärm ein Signal zu finden, das eindeutig beweist, dass es sich um Coccolithophoren handelte, die diese organischen Moleküle in ihre Coccolithen aufnahmen.“

Obwohl das aktuelle Projekt abgeschlossen ist, besteht der nächste Schritt laut Balch darin, zu untersuchen, ob Coccolithophoren in der Lage sind, andere im Meerwasser vorkommende organische Verbindungen mit der gleichen Geschwindigkeit aufzunehmen wie die drei bisher getesteten. Obwohl die Coccolithophoren in diesen Experimenten die drei gelösten Verbindungen nur langsam verbrauchten, gibt es im Meerwasser Tausende anderer organischer Moleküle, die sie möglicherweise absorbieren könnten. Wenn sie mehr davon nutzen, könnte sich diese Erkenntnis als ein noch wichtigerer Schritt zum Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs erweisen.