Life Sciences Innovations

DOM im globalen Kohlenstoffkreislauf - Biomoleküle im Meerwasser geben Auskunft

Wasser vergisst nicht, sagt Prof. Boris Koch, Chemiker am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft. Egal, was im Meer passiert: Ob die Sonne scheint, Algen blühen oder eine Schule Delfine durch ein Seegebiet schwimmt - alles und jeder hinterlässt biomolekulare Spuren. Diesen chemischen Fingerabdruck können Boris Koch und Kollegen jetzt mithilfe einer Kombination neuer Techniken ausfindig machen und zurückverfolgen.

Tümpel, Torflöcher und Straßengräben voll abgestandenem Regenwasser haben den Chemiker Boris Koch früher nie interessiert. "Ich dachte damals: Ein jeder kennt diese braune Brühe; was soll an ihr schon interessant sein. Heute arbeiten wir mit genau jenen Substanzen, die das Wasser im Straßengraben so braun färben - genauer gesagt mit gelöstem organischen Material, das nicht nur in Tümpeln, sondern natürlich auch in den Weltmeeren vorkommt", sagt Boris Koch, der das Forschungsprojekt initiiert hat und Mitherausgeber des Sonderbandes ist.

In den Ozeanen ist die Konzentration dieser sogenannten Biomoleküle pro Liter Wasser zwar geringer als im Straßengraben. Würde man jedoch alles Meerwasser dieser Welt durch ein biomolekül-durchlässiges Sieb kippen und alle darin enthaltenen Bestandteile in Kohlenstoff-Einheiten umrechnen, sähe das Verhältnis anders aus: Im Sieb lägen schätzungsweise 25 Milliarden Tonnen gebundener Kohlenstoff. Er stammt hauptsächlich aus den Überresten von abgestorbenen Meeresorganismen aber auch aus der Biomasse lebender Wale, Fische, Algen, Bakterien, Seegras und anderen Meeresbewohnern. Unterhalb des Siebes würden sich dagegen etwa 662 Milliarden Tonnen gelöster organischer Kohlenstoff türmen, bestehend aus Zehntausenden verschiedenen Substanzen.

Diese vielen Substanzen haben Boris Kochs Neugierde geweckt: "Unsere Arbeit mit gelöstem organischen Material bringt zwei grundlegende Schwierigkeiten mit sich: Zum einen wissen wir bis heute nicht, wie viel organisches Material in das Meer gelangt oder dort produziert wird und warum nicht alles biologisch abgebaut wird. Zum anderen sind die einzelnen gelösten Biomoleküle so gering konzentriert, dass wir unsere Wasserproben stets anreichern müssen, um das darin enthaltene gelöste organische Material in einem ultrahochauflösenden Massenspektrometer am Helmholtz Zentrum München untersuchen zu können", sagt Koch, der eine Kooperationsprofessur zwischen dem Alfred-Wegener-Institut und der Hochschule Bremerhaven innehat und Meereschemie lehrt.

Mit Hilfe dieses Massenspektrometers am Helmholtz Zentrum München, dem Deutschen Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt, ist es dem Wissenschaftler-Team um Boris Koch erstmals gelungen, im Zuge einer einzigen Messung Tausende Einzelkomponenten des gelösten organischen Materials, kurz DOM, (engl. dissolved organic matter) auf einmal zu identifizieren. "Das Gerät nennt uns die chemische Summenformel eines jeden Moleküls und gibt an, wie viel Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder Stickstoff es enthält. Diese Angaben benötigen wir, um herauszufinden, woher das einzelne Molekül stammen könnte", erklärt Boris Koch.

Am Ende der Analyse im Massenspektrometer ergibt sich so ein chemischer Fingerabdruck, der im Zuge statistischer Berechnungen konkrete Rückschlüsse auf jenes Wasser zulässt, in dem das gelöste organische Material einst geschwommen ist. "Wir stehen erst am Anfang unserer Untersuchungen. Es scheint jedoch, als hätten wir mit dieser neuen Methode eine Möglichkeit gefunden, den chemischen Gedächtnisspeicher des Wassers zu nutzen", sagt Boris Koch. So können die Wissenschaftler zum Beispiel sagen, wie alt das gelöste Material ist, ob es bei seinem Weg durch die Weltmeere starker Sonneneinstrahlung ausgesetzt war oder welche Bakterien und Planktonarten vermutlich einst im selben Wasserkörper geschwommen sind.

"Wir können sogar verfolgen, welcher Anteil des DOM seine Spuren in der Atmosphäre hinterlässt. Gischt und Wellen können DOM nämlich in die Luft transportieren, wo es einen wesentlichen Einfluss auf das Klima hat", ergänzt Dr. Philippe Schmitt-Kopplin vom Institut für Ökologische Chemie am Helmholtz Zentrum München. Denn die wichtigsten Fragen zum DOM kommen aus der Klimaforschung. Boris Koch: "Das gelöste organische Material im Ozean ist eines der größten aktiven Kohlenstoffreservoirs der Erde. Doch bisher wird seine Speicherkapazität in der Klimaforschung nur wenig berücksichtigt, dabei bindet es Kohlendioxid über Zeiträume von 3000 Jahren und mehr - so alt war unser Probenmaterial im Durchschnitt."

Für den Wissenschaftler vom Alfred-Wegener-Institut geht es nun darum, diese Wissenslücken zu schließen und mehr über die Rolle des DOM im globalen Kohlenstoffkreislauf herauszufinden. Anwendung dürfte das chemische Analyseverfahren zudem in anderen Teildisziplinen der Meeresforschung finden: "Ozeanografen könnten den chemischen Fingerabdruck des DOM immer dann zu Rate ziehen, wenn sich Wassermassen anhand von Temperatur- und Salzgehaltwerten allein nicht unterscheiden lassen. Zudem wollen wir auf einer der nächsten Expeditionen des Forschungsschiffes Polarstern gemeinsam mit Biologen untersuchen, ob das DOM der Wassermassen entlang der Wanderrouten Südlicher Seeelefanten bestimmte chemische Gemeinsamkeiten aufweist. Vielleicht finden wir ja einen Beweis dafür, dass sich diese Meeressäuger mithilfe des 'Wasserduftes' orientieren", sagt Chemiker Boris Koch.

Er persönlich sieht heute in Anbetracht der neuen Erkenntnisse auch jeden Wassergraben mit anderen Augen. Koch: "Jetzt wissen wir, dass echte chemische Informationen in jedem Wassertropfen stecken und dank der neuen Technik können wir diese jetzt auch greifbar machen.2

An den Studien waren neben Forschenden vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung und dem Helmholtz Zentrum München, Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt, auch Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Zentrum für Materialforschung und Küstenforschung sowie von der Virginia Commonwealth University in Richmond, US-Bundesstaat Virginia, maßgeblich beteiligt.

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Was ist DOM?

Gelöstes organisches Material (engl. dissolved organic matter, DOM) im Ozean ist eines der größten aktiven, organischen Kohlenstoffreservoirs der Erde. Die globale Menge des im DOM gespeicherten Kohlenstoffs (662 Milliarden Tonnen) ist vergleichbar mit der Gesamtmenge an Kohlenstoff im atmosphärischen Kohlendioxid (aktuell 835 Milliarden Tonnen) und in Landpflanzen (610 Milliarden Tonnen). Sie übertrifft zudem die Menge des Kohlenstoffes, der in lebenden marinen Tieren, Pflanzen und Bakterien gespeichert ist (rund 3 Milliarden Tonnen) um das 200-fache.

Das organische Material wird durch Primärproduzenten wie Pflanzen und Plankton bei der Photosynthese aus atmosphärischem Kohlendioxid aufgebaut. Dies geschieht sowohl an Land (Pflanzen) als auch im Meer (Algen). Das gebildete DOM wird entweder über die Flüsse in die Ozeane transportiert oder es wird direkt im Meerwasser oder im Meereis zum Beispiel durch Algen freigesetzt und durch mikrobiellen Abbau verändert. In den flachen Küstengewässern und im offenen Ozean nehmen Bakterien einen Teil des DOM als wichtigste organische Energiequelle auf. Sie zersetzen das Material und zerlegen es in seine Grundbaustoffe. Das dabei entstehende Kohlendioxid löst sich im Wasser und kann somit auch wieder in die Atmosphäre entweichen.

Der andere Teil des frisch eingetragenen DOM wird erst einmal nicht von Bakterien abgebaut, sondern chemisch verändert und widersteht den Abbauprozessen über einen Zeitraum von bis zu 5000 Jahren - ein Vorgang, der aus chemischer Sicht sehr ungewöhnlich ist. Denn im Grunde sollte die sauerstoffreiche Wassersäule einen raschen mikrobiellen Abbau des organischen Materials begünstigen. Die zwei großen Fragen lauten nun: Warum werden die Abbauprozesse unterbrochen und warum bleibt ein erheblicher Teil des atmosphärischen Kohlenstoffs im DOM der Ozeane gespeichert und zirkuliert für lange Zeit durch die Weltmeere? Marines DOM wirkt nämlich auf diese Weise als Puffer im organischen Kohlenstoffkreislauf.

Trotz dieser offensichtlich großen Bedeutung des DOM war dessen Einordnung in den globalen Kohlenstoffkreislauf bislang kaum möglich. Die komplexe Zusammensetzung des DOM stellte eine enorme analytische Herausforderung dar. Infolgedessen gab es nur unzureichende Informationen über die exakten Quellen des DOM, die Bildungs- und Abbauprozesse sowie seine Bindungsmechanismen mit Mineralien und Schwermetallen.

Hinweise für Leser:

Der Biogeoscience-Sonderband mit dem Titel Molecular biogeochemical provinces in the eastern Atlantic Ocean ist unter http://www.biogeosciences.net/special_issue95.html online abrufbar.

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