Die Resteverwerter im Meeresboden

Um gelöstes organisches Material – eine Art dunkle Materie des Meeres – geht es in einer Studie, an der die Oldenburger Geochemiker Prof. Dr. Thorsten Dittmar und Dr. Helena Osterholz beteiligt sind. Das internationale Forscherteam hat herausgefunden, dass Mikroorganismen, die in poröser Ozeankruste leben, einen erheblichen Teil dieser Stoffmischung verzehren, während Meeresbakterien diese Nahrungsquelle zu großen Teilen verschmähen. Die Ergebnisse erschienen jetzt in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Geoscience.

Im Zentrum der Studie steht ein Rätsel der Meeresforschung: Warum rühren Mikroorganismen, die im freien Wasser der Ozeane leben, das gelöste organische Material nicht an, obwohl es eigentlich ein gefundenes Fressen für sie sein müsste? Von der nährstoffreichen Stoffmischung stehen gewaltige Mengen zur Verfügung. „In den gelösten organischen Verbindungen ist 200 Mal mehr Kohlenstoff gebunden als in allen Meereslebewesen zusammen“, berichtet Thorsten Dittmar, einer der Hauptautoren der Studie und Leiter der Forschungsgruppe für Marine Geochemie, die zum Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg und dem Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen gehört. Jeder Liter Meerwasser enthält zwar nur rund ein Milligramm gelöster organischer Substanzen, doch global gesehen summiert sich die darin enthaltene Kohlenstoffmenge auf etwa 700 Milliarden Tonnen.

Messungen haben gezeigt, dass die gelösten organischen Verbindungen nur sehr langsam abgebaut werden, oft erreichen sie ein Alter von mehreren tausend Jahren. Experten schätzen, dass jedes Jahr rund 30 Milliarden Tonnen an neuem Material dazukommen. Die Hauptquelle des vielfältigen Stoffgemischs sind Algen und Bakterien, die ihre Stoffwechselprodukte ins Wasser abgeben oder sich nach ihrem Tod auflösen. Auch vom Land wird Material eingetragen. Da die Gesamtmenge in den Weltmeeren in etwa gleich bleibt, muss genauso viel Material verschwinden wie jedes Jahr neu entsteht – wie, ist noch nicht endgültig geklärt.

Das deutsch-amerikanische Forscherteam untersuchte nun Wasserproben aus mehreren Bohrungen in der Sargassosee östlich von Florida. Das Untersuchungsgebiet befindet sich am Rand des Mittelatlantischen Rückens, eines gewaltigen Unterwassergebirges, das sich einmal längs durch den Atlantik zieht. 2012 und 2014 entnahmen Wissenschaftler auf dem deutschen Forschungsschiff Maria S. Merian Wasserproben aus fest installierten Observatorien in mehreren Bohrungen innerhalb eines mehr als 4.000 Meter tiefen Ozeanbeckens am westlichen Rand des Gebirgszuges. Die Bohrungen reichen bis zu 300 Meter tief in den Meeresboden, wo sich festes, aber poröses Vulkangestein befindet. „Die permanent in der Ozeankruste installierten Observatorien erlauben es uns, den Abbau des gelösten organischen Materials über lange Zeitskalen zu untersuchen – das wäre in keinem Laborversuch möglich“, berichtet Osterholz. Am ICBM, wo sich eines der leistungsfähigsten Massenspektrometer der Welt befindet, wurde die Zusammensetzung des gelösten organischen Materials untersucht.

Dabei zeigte sich, dass in der vulkanischen Kruste ein großer Teil des organischen Stoffgemischs aus dem Meerwasser abgebaut wird. Aus Isotopenmessungen schlossen die Forscher, dass unterirdisch lebende Mikroben daran einen großen Anteil haben. Diese winzigen Bewohner der Erdkruste vertilgen also offenbar die Abfälle, die ihre Verwandten im Meer verschmähen. „Die Bakterien dort sind Resteverwerter. Sie müssen fressen, was ankommt“, erläutert Osterholz. Dabei sind die unterirdischen Mikroorganismen offenbar nur bedingt wählerisch: Die Forscher wiesen nach, dass sich die molekulare Zusammensetzung so änderte, wie es für mikrobiellen Abbau typisch ist. Dennoch blieb eine große Ähnlichkeit zum Ursprungsmaterial aus dem Meer erhalten.

Eine Hypothese dazu, warum Meeresbakterien das gelöste organische Material nicht als Nahrungsquelle nutzen, erklärt Dittmar: „Die Stoffmischung besteht aus vielen verschiedenen Molekülen. Womöglich lohnt es sich für Bakterien nicht, für einzelne Verbindungen, auf die sie selten treffen, einen speziellen Stoffwechselweg anzuwerfen.“ Die tiefe Biosphäre hingegen, jene ausgehungerte Gemeinschaft von Mikroben im Untergrund, ist da offenbar weniger anspruchsvoll – und hat außerdem viel mehr Zeit.

“Microbial decomposition of marine dissolved organic matter in cool oceanic crust” Sunita R. Shah Walter, Ulrike Jaekel, Helena Osterholz, Andrew T. Fisher, Julie A. Huber, Ann Pearson, Thorsten Dittmar and Peter R. Girguis, Nature Geoscience Online-Publication, 23. April 2018, DOI:10.1038/s41561-018-0109-5