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Prof. Dr. Thorsten Dittmar

Institut für Chemie und Biologie des Meeres

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  • Die Oldenburger Geochemiker verwenden auf Forschungsfahrten so genannte Kranzwasserschöpfer, um Wasserproben in verschiedenen Tiefen zu nehmen und darin die Verteilung des gelösten organischen Materials zu untersuchen. Foto: Tim Ferdelmann

  • Auf einer Fahrt des Forschungsschiffs "Sonne" von Antofagasta in Chile nach Wellington in Neuseeland Ende 2015 nahmen die ICBM-Forscher Proben aus dem nährstoffarmen Zentrum des Pazifiks. Foto: Helena Osterholz

  • Im Bordlabor wird das gelöste organische Material aus dem dem Meerwasser extrahiert. Foto: Helena Osterholz

  • Im Oldenburger Labor analysieren Thorsten Dittmar und sein Team ihre Proben mit dem hochempfindlichen Massenspektrometer. Foto: Bastian Ehl für MPG

Was vom Leben übrig bleibt

Warum überdauern manche organischen Substanzen viele tausend Jahre im Meer? Der Geochemiker Thorsten Dittmar und sein Team erkunden das mysteriöse Gemisch – und haben nun eine Erklärung für dessen Langlebigkeit gefunden.

Warum überdauern manche organischen Substanzen viele tausend Jahre im Meer? Seit ziemlich genau zehn Jahren erkunden der Geochemiker Thorsten Dittmar und sein Team das mysteriöse Gemisch – und haben nun eine Erklärung für dessen Langlebigkeit gefunden.

Ob Holz, Knochen oder Asphalt: Mikroben sind in der Lage, auch die zähesten Reste des Lebens über kurz oder lang zu zersetzen. Auf Dauer widerstehen lediglich anorganische Formen von Kohlenstoff wie Graphit und Diamant dem Appetit der Einzeller. Eine weitere Ausnahme ist unsichtbar und findet sich in allen Meeren und Ozeanen weltweit: Aufgelöst im Wasser verbirgt sich ein Mix unterschiedlichster organischer Stoffe mit einem durchschnittlichen Alter von 5000 Jahren. Einzelne Substanzen werden sogar 20.000 Jahre alt.

Die Konzentration dieser Substanzen im Meerwasser ist zwar winzig, doch aufsummiert über alle Ozeane ergeben sich gewaltige Mengen: „Das gelöste organische Material bildet einen der größten Kohlenstoffspeicher der Erde“, erläutert Prof. Dr. Thorsten Dittmar. „Im Meerwasser gelöst befindet sich mehr Kohlenstoff als in allen Wäldern der Welt zusammen.“ Der Geochemiker ist dieser rätselhaften Mixtur seit langem auf der Spur. Dittmar, der der aktuellen Rangliste „Highly Cited Researchers“ des Unternehmens Clarivate Analytics zufolge zu den weltweit meistzitierten interdisziplinären Wissenschaftlern zählt, leitet die Forschungsgruppe für Marine Geochemie am Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM). Seit nunmehr zehn Jahren ist die Arbeitsgruppe in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie an der Universität Oldenburg beheimatet. Er und sein Team haben wesentlich dazu beigetragen, dass sich einige Unklarheiten um die mysteriösen Substanzen mittlerweile zu lichten beginnen. Rätselhaft waren bislang vor allem zwei Fragen: Woraus besteht das gelöste Material? Und warum existiert es überhaupt – und wird nicht wie andere organische Substanzen schnell von Mikroben verwertet?

Vielfältiges Gemisch

Die Antworten auf diese Fragen scheinen den neuesten Erkenntnissen der Oldenburger Forscher zufolge zusammenzuhängen. Dittmar und seine Kollegen können die einzelnen Substanzen zwar nicht bis ins Letzte identifizieren. Sie haben aber gute Gründe anzunehmen, dass das gelöste Gemisch enorm vielfältig ist – und dass diese Vielfalt auch für die Langlebigkeit verantwortlich ist.

Die Hauptquelle der haltbaren Mixtur, das wissen Meeresforscher seit längerem, sind Bakterien und andere einzellige Lebewesen. Wenn die Einzeller Biomasse zersetzen, geben sie Stoffwechselprodukte ins Wasser ab. Nach ihrem Tod setzen sie ebenfalls organische Reststoffe frei. Experimente der Oldenburger Forscher zeigten nun, dass schon eine einzelne Bakterienart eine erstaunliche Zahl unterschiedlicher Substanzen absondern kann. In einem Versuch ernährte das Team die Art Dinoroseobacter shibae nur mit Glukose. Die Ausscheidungen der Mikroben umfassten indessen mehr als 3000 unterschiedliche Substanzen, berichtete Dittmar zusammen mit Dr. Jutta Niggemann und weiteren Kolleginnen des Sonderforschungsbereichs „Roseobacter“ am ICBM in der Zeitschrift Frontiers in Microbiology. Das Team zeigte, dass nur ein kleiner Bruchteil dieser Mischung aus Stoffen bestand, die die Bakterien mit ihren Enzymen herstellen können. Der Rest, so vermutet das Team, entsteht durch Fehler im Stoffwechsel. „Es hat uns sehr erstaunt, dass Bakterien extrem diverse Ausscheidungsprodukte haben und somit die Komplexität des organischen Gemischs im Meer mitverursachen“, sagt Dittmar.

Struktureller Fingerabdruck

Der Geochemiker und seine Kollegen analysieren ihre Proben mit einem extrem leistungsfähigen Messgerät, einem ultrahochauflösenden Massenspektrometer. Mit dieser empfindlichen Maschine – weltweit der einzigen ihrer Art, die in der Meeresforschung eingesetzt wird – können die Oldenburger Forscher die Summenformeln bestimmen, also die jeweilige Anzahl von Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff-, Stickstoff- und weiteren Atomen, aus denen ein Molekül besteht. In ihren Wasserproben aus aller Welt haben sie inzwischen organische Stoffe mit mehreren Zehntausend unterschiedlichen Summenformeln identifiziert. Die Gesamtzahl der gelösten Substanzen könnte jedoch um ein Vielfaches höher sein.

Das liegt daran, dass sich hinter jeder Summenformel Hunderte oder sogar Tausende Substanzen mit der gleichen Zusammensetzung, aber einer anderen Struktur verbergen können. Die Eigenschaften dieser so genannten Isomere unterscheiden sich oft stark voneinander, wie ein Blick auf bekannte Beispiele zeigt. So steht die Summenformel C6H12O6 für ungefähr 45 verschiedene Stoffe, darunter Traubenzucker (Glukose) und Fruchtzucker, aber auch einen Botenstoff namens Inosit.

Die unterschiedlichen Strukturen des Gemisches im Meer im Detail aufzuklären ist nahezu unmöglich, doch Dittmars Kollegin Dr. Maren Zark hat in ihrer Promotion eine Methode entwickelt, mit der sich verschiedene Isomere unterscheiden lassen. Mit Hilfe dieses „strukturellen Fingerabdrucks“ hat sie zwei interessante Erkenntnisse gewonnen: Zum einen zeigte sie, dass das gelöste organische Material tatsächlich aus unzähligen Stoffen verschiedenster Struktur besteht: Es könnten Millionen oder sogar Milliarden sein. Und zum anderen fand sie heraus, dass diese Mischung an verschiedenen Orten der Welt – vom Atlantischen Ozean über die Nordsee und bis hin zum Zwischenahner Meer – etwa zur Hälfte aus genau denselben Substanzen besteht. Offenbar sind in allen Gewässern identische Abbauprozesse am Werk, berichteten Zark und Dittmar im Juli 2018 in der Zeitschrift Nature Communications.

Unverdauliche Reste

Dieser Umstand erleichtert Dittmar und Kollegen nun die Beantwortung der zweiten Frage – die nach der ungewöhnlich hohen Lebensdauer des gelösten Materials. Viele Geochemiker vermuten, dass sich Stoffe mit einer besonders stabilen Struktur darunter befinden, die von Mikroben einfach nicht kleinzukriegen sind. Dittmar geht hingegen davon aus, dass es für die Einzeller schlicht zu aufwendig ist, die extrem diverse Mischung zu verwerten. „Durch die hohe Anzahl verschiedener Moleküle im Meer verlangsamt sich der Abbau so stark, dass es mehrere Tausend Jahre dauert, bis das Material umgesetzt wird“, erläutert der Oldenburger Forscher.

Starke Belege für diese Vermutung kommen nicht etwa aus der Mikrobiologie – sondern aus der Mathematik. Die Oldenburger Mathematikerin Dr. Andrea Mentges hat in ihrer Promotion ein Modell entwickelt, um die Konzentration und das Alter des gelösten organischen Materials mit bekanntem Lehrbuchwissen aus der Mikrobiologie zu errechnen. Für ihre Simulationsrechnungen braucht sie die Anzahl der vorhandenen Bakterienarten, die Anzahl der gelösten Moleküle und einige Formeln zum Wachstum von Mikroben. Das Ergebnis glich gemessenen Werten. „Das bedeutet, dass Mikroben das gelöste Material durchaus abbauen können, aber eben extrem langsam“, sagt Dittmar.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen will sein Team zusammen mit Modellierern aus der Gruppe von Prof. Dr. Bernd Blasius vom ICBM demnächst die Frage angehen, wie das gelöste organische Material im Meer auf den Klimawandel reagiert. Denn bislang weiß niemand, wie der riesige Kohlenstoff-Speicher sich bei wärmeren Temperaturen verändert. Selbst kleine Schwankungen könnten gewaltige Auswirkungen auf das Weltklima haben, rechnet Dittmar vor: „Wenn nur ein Prozent des Kohlenstoffs pro Jahr als CO2 in die Atmosphäre gelangte, dann würde dies die menschlichen Emissionen in etwa verdoppeln.“ Umgekehrt könnte die globale Erwärmung – rein theoretisch – abgemildert werden, wenn die Menge des gelösten organischen Materials im Meer zunähme.

Darauf gibt es derzeit allerdings keinerlei Hinweise.

Prebjsse & wfiKommunl5dxikat69iopzwhdn (presa+cse@uolbph0u.deis) (Stand: 11.12.2018)