Wie Eisen den CO2-Gehalt in mikrobieller Atmung von Meeren beeinflusst
Der größte Teil der Biomasse des Meeres besteht aus Mikroorganismen wie Phytoplankton und Bakterien. Das Phytoplankton fängt an der Meeresoberfläche Sonnenenergie ein, absorbiert durch Photosynthese Kohlendioxid (CO2) und setzt Disauerstoff (O2) frei. Umgekehrt nutzen Bakterien das O2 für ihr Wachstum und setzen bei der Atmung CO2 frei. „Pro Jahr werden etwa zehn Milliarden Tonnen Kohlenstoff an der Meeresoberfläche gebunden, was dem weltweiten CO2-Ausstoß des Menschen entspricht“, erklärt Marion Fourquez, Marie Skłodowska-Curie-Stipendiatin des EU-finanzierten Projekts BULLE. „Aber über den Verbleib all dieses CO2 ist nichts bekannt. Möglicherweise wird es nicht von den Bakterien in der Tiefsee eingelagert, sondern die Bakterien veratmen es.“ Das „Stoffwechselgleichgewicht“ des Ozeans – die Differenz zwischen der CO2-Bindung durch Photosynthese und dem CO2-Ausstoß in die Atmosphäre durch Atmung – hat wichtige klimatische Konsequenzen. „Obwohl die bakterielle Atmung etwa 50-90 % der Gesamtatmung in den Meeren ausmacht, ist ihre zentrale Rolle bei der ozeanischen CO2-Bindung noch nicht ausreichend erforscht“, fügt Fourquez von der Universität Aix-Marseille, dem Projektträger, hinzu. BULLE bewertete den „Respirationsquotienten“ (RQ) – das Verhältnis zwischen der verbrauchten CO2-Menge und der produzierten O2-Menge – um die geschätzte CO2-Abscheidung in den Ozeanen zu erleichtern.
Stoffwechselgleichgewicht der Meere
Überwiegt die Photosynthese, befindet sich der Ozean in einem Zustand der Netto-„Autotrophie“, bei dem das Phytoplankton mehr O2 und organische Stoffe produziert, als von anderen Organismen, beispielsweise Bakterien bei der Atmung, verbraucht werden. Überwiegt hingegen die Respiration, kann der Ozean zu einem Nettoverursacher von atmosphärischem CO2 werden. Diese Dynamik ist bislang weniger gut erforscht, was zum Teil daran liegt, dass herkömmliche Techniken das durch mikrobielle Respiration freigesetzte CO2 nicht angemessen bestimmen können. Daher werden die Respirationsraten immer als O2-Verbrauchsraten gemessen und später durch Anwendung eines Respirationsquotienten (RQ) in CO2-Raten umgewandelt, wobei die meisten Studien von einem festen RQ von 1 ausgehen. „Die bei der bakteriellen Atmung verwendete Kohlenstoffquelle verändert theoretisch den RQ und macht diesen variabel. Meine Hypothese war, dass auch alternative Stoffwechselwege, möglicherweise als Anpassung an Stress, Auswirkungen auf den RQ haben können“, erklärt Fourquez. „Wir waren die ersten, die herausgefunden haben, dass der RQ deutlich abnimmt, wenn den Bakterienzellen Eisen entzogen wird – das ist insofern von Bedeutung, als dass bis zu einem Drittel der Weltmeere eisenarm sind, was zu Unsicherheiten bei den gegenwärtigen Berechnungen des Kohlenstoffkreislaufs führt.“
Zelluläre und gemeinschaftsbezogene Studien
BULLE verknüpfte verschiedene Verfahren zur Messung des RQ in Meeresbakterien, und zwar sowohl im Labor (kontrollierte Bedingungen mit mehr Biomasse und einem daher stärkeren Signal) als auch im Feld (geringere Biomasse, daher schwächeres Signal, das von Sensoren erfasst wird). Im Labor wurde die Membraneinlass-Massenspektrometrie verwendet, um die CO2-Produktion und den O2-Verbrauch während der bakteriellen Atmung zu messen: „Diese Methode war bis dahin noch nie verwendet worden, aber wir haben es geschafft, sie mit mehreren Sensoren für Temperatur, pH-Wert usw. zu implementieren“, so Fourquez weiter. Fourquez entwickelte im Rahmen der Expedition Southern Ocean SWINGS auch eine neue Methode auf See, bei der die stabile Isotopenmarkierung (13C) zur Messung der CO2-Produktion und der Kohlenstoffassimilation in Bakterienzellen während der Atmung eingesetzt wurde. „So konnte ich den Weg des Kohlenstoffs – von der Umgebung in die Zelle und nach der Atmung wieder zurück – verfolgen“, berichtet sie. Um den RQ an mehreren Standorten genau abzuschätzen, wurde eine Kombination von Techniken eingesetzt, vor allem: NanoSIMS, Gasbench-Massenspektrometrie, die traditionelle Winkler-Methode und moderne O2-Sensoren.
Schritte zur Modellierung des weltweiten Kohlenstoffhaushalts
Der Umfang und die Variabilität der mikrobiellen Atmung bestimmen die Desoxygenierung der Meere, wodurch das Leben in den Ozeanen beeinträchtigt wird. Für die mittleren und hohen Breitengrade wird ein weiterer Sauerstoffverlust erwartet, der durch die verstärkte Atmung noch verschärft wird. „Unsere innovative Verbindung von Massenspektrometrie und biomolekularen Technologien kann nun dazu beitragen, das Verständnis des Sauerstoffkreislaufs in den Meeren zu verbessern“, betont Fourquez. Fourquez will nun ein Modell des globalen Kohlenstoffhaushalts erstellen und gleichzeitig benutzungsfreundliche Bioindikatoren entwickeln, um episodische Deoxygenierungsereignisse zu überwachen und zu verhindern.
Schlüsselbegriffe
BULLE, Photosynthese, Phytoplankton, mikrobielle Atmung, Kohlenstoff, Ozean, Eisen, Sauerstoff, Massenspektrometrie
