Negativer Einfluss durch CO2 auf wichtige Planktongruppe

Die wichtig­sten Pro­duzentin­nen von pflan­zlich­er Bio­masse im Ozean sind Kiese­lal­gen. Weil sie für den Bau ihrer Schalen nicht auf Kalk, son­dern auf Kiesel­säure angewiesen sind, gal­ten sie bish­er als Gewin­ner­in­nen der Ozean­ver­sauerung – ein­er chemis­chen Verän­derung im Meer­wass­er durch die Auf­nahme von CO2, die die Kalk­bil­dung erschw­ert. Wissenschaftler:innen des GEOMAR Helmholtz-Zen­trums für Ozean­forschung Kiel zeigen in ein­er heute in der Fachzeitschrift Nature veröf­fentlicht­en Studie, dass die zum Plank­ton zäh­len­den Kiese­lal­gen eben­falls betrof­fen sind. Analy­sen leg­en nahe, dass eine zunehmende Ver­sauerung die Pop­u­la­tio­nen von Kiese­lal­gen drastisch reduzieren könnte.
Während ins­beson­dere kalk­bildende Lebe­we­sen in saur­erem Meer­wass­er Schwierigkeit­en bekom­men, ihre Schalen und Skelette zu bilden, gal­ten Kiese­lal­gen (Diatomeen) bish­er als weniger anfäl­lig für die Fol­gen der Ozean­ver­sauerung – ein­er chemis­chen Verän­derung, die durch die Auf­nahme von Kohlen­diox­id (CO2) aus­gelöst wird. Die glob­al ver­bre­it­eten winzi­gen Kiese­lal­gen nutzen Kiesel­säure, eine Verbindung aus Siliz­ium, Sauer­stoff und Wasser­stoff, als Baustoff für ihre Schalen. Dass Diatomeen den­noch bedro­ht sind, weisen Forschende des GEOMAR Helmholtz-Zen­trum für Ozean­forschung Kiel, des Insti­tuts für Geol­o­gis­che und Nuk­lear­wis­senschaften Neusee­land und der Uni­ver­sität von Tas­man­ien nun erst­mals in ein­er Studie in der Fachzeitschrift Nature nach. Für ihre Unter­suchung verknüpften sie eine über­greifende Analyse ver­schieden­er Daten­quellen mit Erdsys­tem­mod­el­lierung. Die Erken­nt­nisse ermöglichen eine neue Ein­schätzung der glob­alen Auswirkun­gen von Ozeanversauerung.
Als Folge der Ozean­ver­sauerung lösen sich die Siliz­ium­schalen von Kiese­lal­gen langsamer auf. Dies ist kein Vorteil – denn dadurch sinken Diatomeen in tief­ere Wasser­schicht­en als bish­er, bevor sie sich chemisch lösen und wieder in Kiesel­säure umge­wan­delt wer­den. Fol­glich wird der Nährstoff dem glob­alen Kreis­lauf zunehmend ent­zo­gen und somit in der licht­durch­fluteten Ober­flächen­schicht knap­per, wo er für die Bil­dung neuer Schalen benötigt wird. Dies bed­ingt einen Rück­gang der Kiese­lal­gen, so die Wissenschaftler:innen in ihrer aktuellen Pub­lika­tion. Diatomeen tra­gen 40 Prozent der Pro­duk­tion von pflan­zlich­er Bio­masse im Ozean bei und sind Grund­lage viel­er mariner Nahrungsnet­ze. Sie sind auch der Haup­tantrieb für die biol­o­gis­che Kohlen­stoff­pumpe, die CO2 in den tiefen Ozean trans­portiert und dort langfristig speichert.

„Mit ein­er über­greifend­en Auswer­tung von Frei­land-Exper­i­menten und Beobach­tungs­dat­en woll­ten wir her­aus­find­en, wie sich Ozean­ver­sauerung auf glob­aler Ebene auf die Kiese­lal­gen auswirkt. Unser derzeit­iges Ver­ständ­nis von ökol­o­gis­chen Effek­ten von Ozean­verän­derun­gen beruht weit­ge­hend auf klein­räu­mi­gen Exper­i­menten, also von einem bes­timmten Ort zu ein­er bes­timmten Zeit. Diese Erken­nt­nisse kön­nen trügerisch sein, wenn die Kom­plex­ität des Erdsys­tems nicht berück­sichtigt wird. Unsere Studie zeigt am Beispiel der Diatomeen, wie klein­skalige Effek­te zu ozean­weit­en Verän­derun­gen mit unvorherge­se­henen und weitre­ichen­den Kon­se­quen­zen für die mari­nen Ökosys­teme und Stof­fkreis­läufe führen kön­nen. Da Diatomeen eine der wichtig­sten Plank­ton­grup­pen im Ozean sind, kön­nte ihr Rück­gang zu ein­er deut­lichen Ver­schiebung im mari­nen Nahrungsnetz oder sog­ar ein­er Verän­derung für den Ozean als Kohlen­stoff­senke führen.“
— Dr. Jan Tauch­er, Meeresbiologe

In der Meta-Analyse wur­den Dat­en von fünf Mesokos­men-Stu­di­en aus den Jahren 2010 bis 2014, aus ver­schiede­nen Meeres­re­gio­nen, von ark­tis­chen bis sub­tro­pis­chen Gewässern, unter­sucht. Mesokos­men sind eine Art großvo­lu­mige, überdi­men­sion­ale Reagen­zgläs­er im Ozean mit einem Fas­sungsver­mö­gen von mehreren zehn­tausend Litern, in denen Verän­derun­gen der Umweltbe­din­gun­gen in einem abgeschlosse­nen, aber anson­sten natür­lichen Ökosys­tem unter­sucht wer­den kön­nen. Dazu wurde das in den Mesokos­men eingeschlossene Wass­er so mit Kohlen­diox­id angere­ichert, dass es zukün­fti­gen Szenar­ien mit mod­er­at­en bis hohen Anstiegen des atmo­sphärischen CO2 Gehalts entsprach. Für die vor­liegende Studie wurde die chemis­che Zusam­menset­zung des organ­is­chen Mate­ri­als aus Sed­i­ment­fall­en aus­gew­ertet, das im Laufe der mehrwöchi­gen Ver­suche durch das in den Exper­i­men­tier­be­häl­tern enthal­tene Wass­er absinkt. Kom­biniert mit Mes­sun­gen aus der Wasser­säule ent­stand ein genaues Bild der bio­geo­chemis­chen Prozesse inner­halb des Ökosystems.
Die aus den Mesokos­men­stu­di­en gewonnenen Erken­nt­nisse kon­nten anhand von glob­alen Beobach­tungs­dat­en aus dem offe­nen Ozean bestätigt wer­den. Sie zeigen – passend zu den Ergeb­nis­sen der Analyse – eine gerin­gere Auflö­sung der Siliz­ium­schalen bei höherem Säurege­halt des Meer­wassers. Mit den resul­tieren­den Daten­sätzen wur­den Sim­u­la­tio­nen in einem Erdsys­tem­mod­ell durchge­führt, um die ozean­weit­en Kon­se­quen­zen der beobachteten Trends abschätzen zu können.
„Bere­its bis Ende dieses Jahrhun­derts rech­nen wir mit einem Ver­lust von bis zu zehn Prozent Kiese­lal­gen. Das ist immens, wenn man bedenkt, wie wichtig sie für das Leben im Ozean und für das Kli­masys­tem sind“, so Dr. Tauch­er weit­er. „Es ist aber wichtig, über 2100 hin­aus zu denken. Der Kli­mawan­del wird nicht abrupt aufhören, und ger­ade glob­ale Effek­te benöti­gen etwas Zeit bis sie deut­lich sicht­bar wer­den. Je nach Menge der Emis­sio­nen prog­nos­tiziert unser Mod­ell in der Studie einen Ver­lust von bis zu 27 Prozent Kiesel­säure im Ober­flächen­wass­er und einen ozean­weit­en Rück­gang der Kiese­lal­gen von bis zu 26 Prozent bis zum Jahr 2200 – mehr als ein Vier­tel des aktuellen Bestands.“
Diese Erken­nt­nis der Studie ste­ht im schar­fen Kon­trast zum bish­eri­gen Stand der Ozean­forschung, der kalk­bildende Organ­is­men als Ver­lier­er und Diatomeen als Prof­i­teure der Ozean­ver­sauerung sieht. Pro­fes­sor Ulf Riebe­sell, Meeres­bi­ologe am GEOMAR und Leit­er der Mesokos­men-Exper­i­mente ergänzt dazu: „Diese Studie macht ein­mal mehr die Kom­plex­ität des Erdsys­tems deut­lich und damit ver­bun­den die Schwierigkeit, die Fol­gen des men­schengemacht­en Kli­mawan­dels in Gänze vorher­sagen zu kön­nen. Über­raschun­gen dieser Art führen uns immer wieder vor Augen, welche unkalkulier­baren Risiken wir einge­hen, wenn wir dem Kli­mawan­del nicht zügig und entschlossen entgegenwirken.“