Partial carbon oxidation by iron-limited marine bacteria reshapes oceanic CO2 cycling
Diese Studie zeigt auf, dass Eisenlimitierung in marinen Bakterien die partielle Kohlenstoffoxidation über den Glyoxylat-Shunt fördert, wodurch der Sauerstoffverbrauch von der CO2-Produktion entkoppelt wird und dadurch die Kapazität des Ozeans zur Aufnahme von atmosphärischem CO2 signifikant erhöht wird.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Der Ozean ist ein riesiger, atmender Motor, der hilft, das Klima der Erde zu regulieren. Jedes Jahr ziehen mikroskopisch kleine Pflanzen, das sogenannte Phytoplankton, Kohlendioxid aus der Luft und binden es durch Photosynthese in ihren Zellen. Doch diese Geschichte endet nicht mit den Pflanzen. Wenn diese Organismen sterben oder gefressen werden, wird ihr Kohlenstoff an winzige Bakterien weitergegeben, die im Meerwasser leben. Diese Bakterien fungieren als die Recycler des Ozeans, indem sie organisches Material abbauen und Kohlendioxid wieder in das Wasser abgeben, welches dann in die Atmosphäre entweichen kann. Seit Jahrzehnten schätzen Wissenschaftler, wie viel Kohlenstoff diese Bakterien freisetzen, indem sie messen, wie viel Sauerstoff sie verbrauchen, unter der Annahme, dass für jeden Atemzug Sauerstoff eine vorhersagbare Menge an Kohlendioxid ausgeatmet wird. Diese Annahme war das Fundament für das Verständnis der Rolle des Ozeans im globalen Kohlenstoffkreislauf. Diese einfache Berechnung beruht jedoch auf der Vorstellung, dass Bakterien ihre Nahrung immer vollständig verbrennen, also jedes Stück Kohlenstoff in Gas verwandeln. Wenn Bakterien unter Stress ihre Art der Nahrungsverarbeitung ändern, könnte diese lang gehegte Berechnung falsch sein und potenziell ein bedeutendes Puzzleteil des Klimas verschleiern.
Ein Forschungsteam hat entdeckt, dass Bakterien im Ozean ihre Nahrung nicht immer vollständig verbrennen, insbesondere wenn es ihnen an Eisen mangelt. Eisen ist ein lebenswichtiger Nährstoff für alles Leben, aber er ist in großen Teilen des offenen O океans knapp, besonders im Südpolarmeer, das die Antarktis umgibt. In einer Reihe von Laborexperimenten züchteten die Wissenschaftler marine Bakterien im Labor und fütterten sie mit Zucker, während sie die Menge an verfügbarem Eisen sorgfältig kontrollierten. Sie fanden heraus, dass sich das Verhalten der Bakterien dramatisch änderte, wenn sie mit Eisen ausgehungert wurden. Obwohl sie weiterhin Sauerstoff verbrauchten, setzten sie weit weniger Kohlendioxid frei als erwartet – bis zu viermal weniger als Bakterien mit reichlich Eisen. Dies geschah, weil die eisenarmen Bakterien zu einem anderen Stoffwechselweg wechselten, der als Glyoxylat-Shunt bekannt ist. Dieser Stoffwechselweg ermöglicht es ihnen, Kohlenstoff zu sparen, indem sie die Schritte überspringen, die normalerweise dessen Freisetzung als Gas bewirken. Anstatt ihre Nahrung vollständig zu Asche zu verbrennen, behalten sie mehr des Kohlenstoffs ein, indem sie ihn nutzen, um ihre eigenen Zellen aufzubauen oder ihn in einer teilweise abgebauten Form zu speichern.
Die Forscher übertrugen diese Entdeckung aus dem Labor auf das offene Meer, um zu sehen, ob sie in der realen Welt eine Rolle spielt. Während einer Expedition durch das Südpolarmeer sammelten sie Wasserproben von sieben verschiedenen Standorten, die von eisenreichen Gebieten bis hin zu eisenarmen Zonen reichten. Durch die Messung des Sauerstoffverbrauchs der Bakterien und der Menge des von ihnen produzierten Kohlendioxids in diesen natürlichen Proben bestätigten sie das im Labor beobachtete Muster. In den eisenarmen Gewässern setzten die Bakterien pro Einheit verbrauchtem Sauerstoff deutlich weniger Kohlendioxid frei. Die Daten zeigten einen klaren Zusammenhang: Je stärker die Bakteriengemeinschaft durch Eisen gestresst war, desto mehr Kohlenstoff konservierte sie. Das bedeutet, dass die Bakterien in den riesigen, eisenlimitierten Regionen des Südpolarmeeres nicht so viel Kohlenstoff an die Atmosphäre zurückgeben, wie bisherige Modelle vorhergesagt haben. Stattdessen halten sie ihn fest und fungieren somit effektiv als eine stärkere Kohlenstoffsenke als bisher angenommen.
Um die globale Auswirkung dieser Entdeckung zu verstehen, speisten die Wissenschaftler dieses neue Verhalten in ein Computermodell des Kohlenstoffkreislaufs des Ozeans ein. Sie simulierten, was passieren würde, wenn Bakterien im Südpolarmeer häufig diese kohlenstoffsparende Strategie anwenden würden. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Als das Modell diese teilweise Verbrennung von Kohlenstoff berücksichtigte, absorbierte der simulierte Ozean während der Sommermonate signifikant mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Diese Anpassung brachte die Vorhersagen des Modells viel näher an die tatsächlichen Messungen eines langfristigen Überwachungsstandorts im Südpolarmeer heran. Das Modell hatte zuvor nicht erklären können, warum der Ozean im Sommer so viel Kohlenstoff aufnahm, aber durch die Einbeziehung der Fähigkeit der Bakterien, unter Eisenstress Kohlenstoff zu konservieren, verschwand die Diskrepanz. Dies deutet darauf hin, dass die Verfügbarkeit von Eisen mehr tut, als nur die Geschwindigkeit des Bakterienwachstums zu begrenzen; sie verändert grundlegend, wie sie Kohlenstoff verarbeiten, und verändert damit das Gleichgewicht zwischen dem Ozean und der Atmosphäre.
Die Implikationen dieser Entdeckung reichen über das Südpolarmeer hinaus. Der Stoffwechselweg, den die Bakterien zur Kohlenstoffkonservierung nutzen, ist weit verbreitet und kann durch andere Umweltbelastungen, wie etwa niedrige Sauerstoffgehalte, ausgelöst werden. Dies bedeutet, dass die Fähigkeit des Ozeans, Kohlenstoff zu speichern, dynamischer und reaktionsfähiger auf Umweltbedingungen sein könnte, als Wissenschaftler bisher glaubten. Indem sie erkennen, dass Bakterien ihre Atmungsgewohnheiten ändern können, können Forscher nun bessere Modelle entwickeln, um vorherzusagen, wie der Ozean auf einen sich verändernden Klimawandel reagieren wird. Die Studie unterstreicht, dass die mikroskopische Welt der Bakterien einen mächtigen Schlüssel zum Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs der Erde bereithält und zeigt, dass selbst die kleinsten Organismen den Fluss von Kohlenstoff auf planetarer Ebene umgestalten können. Die Fähigkeit des Ozeans, als Puffer gegen den Klimawandel zu wirken, mag stark von der Eisenversorgung und den metabolischen Entscheidungen des unsichtbaren Lebens in ihm abhängen.
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