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  • Wasserproben aus verschiedenen Tiefen des Nordatlantiks, gesammelt mit einer CTD-Rosette [Foto: M. Seidel].

    Wasserproben aus verschiedenen Tiefen des Nordatlantiks, gesammelt mit einer CTD-Rosette [Foto: M. Seidel].

Analyse von Schwefelisotopen gibt Aufschluss über mögliche Quelle für langlebiges gelöstes organisches Material (DOM) in den Ozeanen

Bei DOM handelt es sich um in Meerwasser gelöstes organisches Material (Dissolved Organic Matter). Es enthält hauptsächlich Kohlenstoff, aber auch Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff und andere Elemente. DOM ist kleiner als 0,7 Mikrometer – und damit winziger als ein Bakterium. Der Ozean enthält ebenso viel Kohlenstoff in DOM wie die Atmosphäre in Kohlendioxid (CO2), und DOM hält sich in der Tiefsee über Tausende von Jahren. Warum es dort derart lange Zeiträume überdauert, ist bislang weitgehend unbekannt.

Bei DOM handelt es sich um in Meerwasser gelöstes organisches Material (Dissolved Organic Matter). Es enthält hauptsächlich Kohlenstoff, aber auch Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff und andere Elemente. DOM ist kleiner als 0,7 Mikrometer und damit winziger als ein Bakterium. Der Ozean enthält ebenso viel Kohlenstoff in DOM wie die Atmosphäre in Kohlendioxid (CO2), und DOM hält sich in der Tiefsee über Tausende von Jahren. Warum es dort derart lange Zeiträume überdauert, ist bislang weitgehend unbekannt.

Neue Forschungsergebnisse legen nun nahe, dass langlebiges DOM im tiefen Ozean nur zu einem geringen Teil auf den Eintrag organischer Schwefelverbindungen zurückgeht, wie man sie in ozeanischen Sedimenten findet. Damit stehen die Resultate im Gegensatz zu einer führenden Hypothese für die lange Verweildauer von DOM in der Tiefsee. Dr. Michael Seidel, ICBM-Wissenschaftler an der Universität Oldenburg und Koautor der jetzt in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichten Studie erläutert: “Langlebige marine DOM-Verbindungen sind so interessant, weil sie den Kohlenstoff für lange Zeiträume binden. Er kann somit nicht mehr als Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen”. Und die Erstautorin Dr. Alexandra Phillips, die in den USA am kalifornischen Caltech (Pasadena) in der Arbeitsgruppe des Geobiologen Prof. Dr. Alex Sessions arbeitete, ergänzt: “Unsere Studie hilft, Licht auf eine lange bestehende Frage zur langfristigen Speicherung von Kohlenstoff zu werfen, indem es eine Theorie für den Ursprung zumindest eines Teils des langlebigen Kohlenstoffs entkräftet.”

Phillips und Sessions leiteten das Team von Forschenden des Caltech, der Scripps Institution of Oceanography in La Jolla, USA, und des ICBM, die die Hypothese untersuchten, dass langlebiges DOM auf chemischen Reaktionen von Schwefelwasserstoff mit organischem Material in Porenwasser (dem Wasser, das die Sedimente am Ozeanboden durchströmt) zurückgeht, bei dem Verbindungen entstehen, die dann aus den Sedimenten in den Ozean gelangen. Bekannt ist, dass derartige Reaktionen organische Moleküle widerstandsfähiger gegenüber mikrobiellem Abbau machen, und die Wissenschaft hat in der Vergangenheit die Anhäufung “verschwefelten” organischen Materials in Sedimenten mit Kaltzeiten in der Erdgeschichte in Verbindung gebracht.

Alexandra Phillips und ihre Kolleginnen und Kollegen nutzten Schwefelisotope (also Atome gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Atommasse) um zu überprüfen, ob die erwähnten “Verschwefelungsreaktionen” für nennenswerte Mengen langlebigen Kohlenstoffs im tiefen Ozean verantwortlich sind. Dazu entwickelten sie eine Methode, die es erlaubte, Schwefelisotope in sehr geringen Mengen organischen Materials nachzuweisen. Das reduzierte den Filtrieraufwand auf nur zehn der sonst üblichen 1.000 Liter pro zu untersuchender Probe.

Das Team fand Schwefelisotopen-Signale in marinem DOM, die nicht mit sedimentären Quellen übereinstimmten. Die sowohl im Pazifik als auch Atlantik gesammelten Proben enthielten erheblich mehr schwere Schwefelisotope als es für Material aus “verschwefeltem” DOM zu erwarten gewesen wäre. Die Forschenden stellten darüber hinaus fest, dass sich die Schwefelmenge gegenüber Kohlenstoff auch allgemein verringerte, wenn die relative Häufigkeit schwerer Schwefelisotope im DOM ihrer Proben abnahm, was die Hypothese weiter widerlegte, dass schwefelhaltiges organisches Material aus den Sedimenten die gesuchte Quelle des in den Ozeanen langlebigen DOM sein könnte.

Vielmehr entsprachen die Schwefelisotopen-Verhältnisse nahezu denen, die in Phytoplankton gefunden werden, den mikroskopisch kleinen Photosynthese betreibenden Organismen, die die Grundlage des marinen Nahrungsnetzes bilden. Diese Ergebnisse sind ein direkter Beweis für Phytoplankton als Quelle des organischen Schwefels, und ein indirekter für die generelle Herkunft von DOM im Ozean. Allerdings muss angemerkt werden, dass schwefelhaltige Verbindungen lediglich zehn Prozent des typischen marinen DOM ausmachen. Alexandra Phillips sagt dazu: “Offenbar verhält sich mariner organischer Schwefel sehr viel dynamischer, als wir erwartet haben”. Und Michael Seidel ergänzt: “Jetzt stehen wir vor der Aufgabe herauszufinden, wie die schwefelhaltigen Verbindungen aus dem Porenwasser abgebaut werden und warum nur wenige Prozent davon im tiefen Ozean überdauern”. Letzten Endes suchen die Forschenden nach Antworten auf diese Fragen, weil sie zum Verständnis des langfristigen Verbleibs von marinem DOM im Zusammenhang mit der Kohlenstoffspeicherung im Ozean beitragen werden.

Original-Publikation
Alexandra A. Phillips, Margot E. White, Michael Seidel, Fenfang Wu, Frank F. Pavia, Preston C. Kemeny, Audrey C. Ma, Lihini I. Aluwihare, Thorsten Dittmar, and Alex L. Sessions (2022) Novel sulfur isotope analyses constrain sulfurized porewater fluxes as a minor component of marine dissolved organic matter. Proceedings of the National Academy of Sciences 119: e2209152119
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2209152119

Kontakt
Dr. Alexandra A. Phillips
Earth Sciences Department, University of California Santa Barbara, Santa Barbara, CA 93016
E-Mail:

Prof. Dr. Alex L. Sessions
Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125
E-Mail:

Prof. Dr. Thorsten Dittmar
ICBM, Institut für Chemie und Biologie des Meeres
Universität Oldenburg
E-Mail:

Dr Michael Seidel
ICBM, Institut für Chemie und Biologie des Meeres
Universität Oldenburg
E-Mail: 

(Stand: 13.05.2022)