Pyrite oxidation flux underestimated due to landscape-mediated microbial sulfate reduction

Die Erdatmosphäre ist eine empfindliche Bilanz, die ständig durch geologische Prozesse neu geschrieben und umgeschrieben wird. Auf der einen Seite verwittern Gesteine und entziehen der Luft Kohlendioxid, was als Kühlmechanismus wirkt. Auf der anderen Seite setzt der Zerfall bestimmter Mineralien Kohlendioxid wieder in den Himmel frei. Unter diesen Mineralien spielt Pyrit – oft auch „Katzengold“ genannt – eine überraschend große Rolle. Wenn Pyrit Luft und Wasser ausgesetzt ist, oxidiert er, wodurch Schwefelsäure entsteht, die das umliegende Gestein zersetzt und Kohlendioxid freisetzt. Dieser Prozess verbraucht zudem Sauerstoff. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler zu messen, wie viel Pyrit in Gebirgszügen zerfällt, denn diese Zahl hilft zu bestimmen, ob die Berge ein Netto-Senken oder eine Quelle für Kohlenstoff sind. Um dies zu tun, haben sie sich traditionell auf die chemischen Fingerabdrücke von Sulfat konzentriert, einem Nebenprodukt des Pyritabbaus, das aus Flüssen fließt. Sie nahmen an, dass diese Fingerabdrücke eine eindeutige Geschichte erzählten: Wenn das Sulfat auf eine bestimmte Weise aussah, stammte es von Pyrit; sah es auf eine andere Weise aus, stammte es von der Auflösung alter Salzablagerungen.

Ein neues Studium aus den Oberläufen des Ganges im Himalaya deutet jedoch darauf hin, dass diese traditionelle Sichtweise ein entscheidendes Kapitel vermissen lässt. Die Forscher fanden heraus, dass die chemischen Signale, die zur Verfolgung von Pyrit verwendet werden, durch mikroskopisches Leben im Boden und im Grundwasser verändert werden. Speziell Bakterien, die Sulfat konsumieren, verändern die chemische Zusammensetzung des Wassers, noch bevor es den Fluss erreicht. Diese verborgene biologische Aktivität bedeutet, dass frühere Berechnungen wahrscheinlich unterschätzt haben, wie viel Pyrit tatsächlich oxidiert. Wenn die Wissenschaftler recht haben, könnte die Menge an Kohlendioxid, die durch die Verwitterung von Pyrit freigesetzt wird, fast doppelt so hoch sein wie bisher angenommen, was unser Verständnis darüber, wie Berge den Planeten über Millionen von Jahren hinweg beeinflussen, grundlegend verändert.

Das Team, unter der Leitung von Forschern des Indian Institute of Technology Kanpur und der ETH Zürich, konzentrierte seine Untersuchung auf das raue Gelände der Alaknanda- und Bhagirathi-Einzugsgebiete. Diese Gebiete sind perfekt für diese Art von Studie, da sie eine große Vielfalt an Gesteinsarten aufweisen und unterschiedliche Erosionsraten sowie Niederschlagsmengen erleben. Die Wissenschaftler sammelten Wasserproben aus Flüssen und Bächen in dieser Landschaft und maßen dabei nicht nur die Chemie des Wassers, sondern auch die genetischen Marker der darin lebenden Mikroben. Sie suchten nach einem spezifischen Gen, bekannt als dsrB, das als Signatur für Bakterien dient, die die mikrobielle Sulfatreduktion durchführen. Dies ist ein Prozess, bei dem Bakterien Sauerstoff aus Sulfatmolekülen entziehen, um in sauerstoffarmen Umgebungen zu überleben, die man häufig tief im Boden oder in den Spalten von Gesteinen findet.

Was die Forscher entdeckten, war eine klare Verbindung zwischen der Landschaft und den Mikroben. In Gebieten, in denen das Land langsam erodiert und der Boden dick ist, benötigt das Wasser lange, um von der Oberfläche zum Fluss zu gelangen. Diese langsame Reise ermöglicht es, dass Sauerstoff durch Pflanzenwurzeln und andere Organismen verbraucht wird, was die perfekten anoxischen, oder sauerstofffreien, Bedingungen schafft, in denen die sulfatfressenden Bakterien gedeihen können. In diesen langsam fließenden, gering erodierenden Umgebungen waren die Bakterien zahlreich und das chemische Signal des Sulfats im Wasser wurde stark verändert. Die Bakterien konsumierten nicht nur das Sulfat; sie veränderten dessen Isotopensignatur in einer Weise, die es so aussehen ließ, als käme es aus einer völlig anderen Quelle. Die Studie zeigte, dass die chemischen Signale umso stärker von dem abwichen, was man bei einfacher Gesteinsverwitterung erwarten würde, je mehr diese Bakterien vorhanden waren.

Entscheidend war, dass das Team feststellte, dass diese biologische Überprägung nicht zufällig war, sondern durch die physische Gestalt des Landes und das Klima gesteuert wurde. In steilen, schnell erodierenden Landschaften oder in Gebieten, die von Gletschern bedeckt sind, ist der Boden dünn und das Wasser bewegt sich schnell. Es bleibt kaum Zeit für den Sauerstoffverbrauch, sodass die sulfatfressenden Bakterien keine starke Präsenz etablieren können und die chemischen Signale weitgehend unverändert bleiben. Aber in den langsam erodierenden, wärmeren und feuchteren Teilen des Einzugsgebiets verweilt das Wasser lange genug im Boden, damit die Bakterien ihre Arbeit verrichten können. Die Forscher fanden heraus, dass das Ausmaß dieser Veränderung dort am höchsten war, wo die physischen Erosionsraten niedrig und die Niederschläge mäßig bis gering waren – eine Kombination, die die Verweilzeit des Wassers im Untergrund maximiert.

Diese Entdeckung hat tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der globalen Schwefel- und Kohlenstoffkreisläufe. Jahrelang haben Wissenschaftler die chemische Zusammensetzung von Fluss-Sulfat genutzt, um zu schätzen, wie viel Pyrit weltweit oxidiert wird. Sie gingen davon aus, dass, wenn das Sulfat so aussah, als stamme es aus alten Salzablagerungen, es nicht von Pyrit stammte. Doch die neuen Daten legen nahe, dass die Bakterien das Pyrit-abgeleitete Sulfat so verändern, dass es wie aus Salzablagerungen stammend erscheint. Als die Forscher dieses neue Verständnis auf eine globale Datenbank der Flusschemie anwandten, waren die Ergebnisse erschütternd. Sie fanden heraus, dass in vielen Flüssen das Sulfat fast vollständig aus der Pyritoxidation stammt, obwohl die chemischen Signale zuvor darauf hindeutet, dass es aus einer anderen Quelle stammte.

Durch die Korrektur dieser mikrobiellen Interferenz berechnete das Team, dass der globale Fluss von Sulfat aus der Pyritoxidation wahrscheinlich zwischen 2,0 und 2,5 Billionen Mol pro Jahr liegt. Dies ist signifikant höher als die bisherigen Schätzungen, die um 1,3 bis 1,6 Billionen Mol pro Jahr schwankten. Vereinfacht gesagt: Die Menge an Kohlendioxid, die durch die Verwitterung von Pyrit in den Bergen in die Atmosphäre freigesetzt wird, könnte fast doppelt so hoch sein, wie wir dachten. Dies bedeutet nicht, dass die Erde in unmittelbarer Gefahr ist, aber es bedeutet, dass unsere Modelle darüber, wie der Planet über geologische Zeitskalen hinweg seine Temperatur reguliert, aktualisiert werden müssen. Die Berge, die oft als Orte gesehen werden, die durch die Verwitterung von Silikatgestein Kohlenstoff aus der Luft ziehen, könnten tatsächlich mehr Kohlenstoff freisetzen, als sie absorbieren, wenn man die vollen Auswirkungen der Pyritoxidation berücksichtigt.

Die Studie hebt auch die komplexe Verbindung zwischen der physischen Welt und der mikroskopischen Welt hervor. Die Form der Berge, die Geschwindigkeit der Erosion und die Menge des Regens bestimmen das Verhalten unsichtbarer Bakterien, welche wiederum die chemische Geschichte des Wassers, das in die Ozeane fließt, umschreiben. Die Forscher konnten dies bestätigen, indem sie die Häufigkeit der sulfatreduzierenden Bakterien direkt in den Wasserproben maßen. Sie fanden heraus, dass dort, wo die Bakterien im Verhältnis zur verfügbaren Menge an Sulfat am zahlreichsten waren, die chemische Verzerrung am größten war. Dies lieferte eine direkte, quantitative Verbindung zwischen der Landschaft, den Mikroben und dem globalen Kohlenstoffkreislauf.

Diese Arbeit legt nicht nahe, dass die bisherigen Modelle völlig falsch waren, sondern dass sie unvollständig waren. Die traditionelle Sichtweise behandelte die chemischen Signale in Flüssen als ein statisches Protokoll der Gesteinsverwitterung. Die neue Forschung zeigt, dass dieses Protokoll dynamisch ist, ständig editiert durch biologische Prozesse, die in terrestrischen Umgebungen weitgehend übersehen wurden. Die Studie betont, dass wir, um die Klimageschichte der Erde wirklich zu verstehen, über die Steine und das Wasser hinausblicken müssen zu dem Leben, das in ihnen existiert. Wenn wir das nächste Mal über die Rolle der Berge im globalen Kohlenstoffkreislauf nachdenken, müssen wir uns daran erinnern, dass die Geschichte nicht nur in Stein geschrieben ist, sondern auch im Boden, wo winzige Bakterien still und leise die Chemie des Planeten umgestalten.