Nehmen Ozeane mehr CO₂ auf als gedacht?

Phytoplankton benötigt zum Wachsen Licht und Nährstoffe. Beides gemeinsam in ausreichender Menge ist für die mikroskopisch kleinen Algen im Ozean aber nur selten zu finden. In den oberen Wasserschichten fehlen ihnen in der Regel die Nährstoffe, weiter unten das Licht. Eine neue Studie unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Hereon sagt nun: Phytoplankton kann zwischen tieferen Schichten und der Wasseroberfläche hin- und herwandern. Sollte sich das bestätigen, hätte es enorme Konsequenzen für die Kalkulationen der natürlichen Kohlenstoffpumpe und damit auch für aktuelle Berechnungen des Kohlenstoffbudgets. Die Ergebnisse der Studie wurden heute in der Fachzeitschrift Nature Climate Change veröffentlicht.

- Gemeinsame Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Hereon und des GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel -

Die Meere und der Ozean sind eine unserer größten Kohlenstoffsenken. Sie nehmen jedes Jahr rund 30 Prozent des vom Menschen erzeugten CO₂ auf und ziehen es so aus der Atmosphäre. Das ist vor allem dem Phytoplankton zu verdanken. Die mikroskopisch kleinen Pflanzen nehmen mit Hilfe von Licht und Nährstoffen das Kohlenstoffdioxid auf und geben Sauerstoff wieder ab. Bislang gingen Forschende davon aus, dass sich Phytoplankton kaum selbst bewegt, sondern von der Strömung mitgetrieben wird. Eine Studie unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Hereon stellt jetzt Argumente vor, die diese Annahme infrage stellen.

Kreislauf der Phytoplanktonbewegung. Grafik: Wirtz, M. et al. (2022)

Für die Veröffentlichung, an der auch das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel und das Earth SURFACE System Research Center beteiligt sind, analysierte das Autorenteam zahlreiche empirische Forschungsergebnisse. Das Fazit: Die gemessenen Daten können nicht mit der passiven Bewegung des Phytoplanktons erklärt werden. Auf dieser Grundlage entwickelten die Forschenden ein neues Modell, dass die senkrechte Wanderung des Phytoplanktons mit einbezieht, und somit das aktive „Hochpumpen“ von Nährstoffen berechnen kann.

„Bisherige Modelle behandeln das Phytoplankton wie passive Teilchen, während sehr viel dafürspricht, dass es aktiv wandert, um in oberen Schichten über die Photosynthese Kohlenstoff aufzunehmen und in unteren Schichten Nährstoffe einzuspeichern.“, so Kai Wirtz, Erstautor der Studie und Ökosystemmodellierer am Hereon-Institut für Küstensysteme - Analyse und Modellierung.

In den oberen Wasserschichten der Meere und Ozeane mangelt es fast immer an Nährstoffen. Neben Licht sind sie für Phytoplankton lebensnotwendig. Doch trotz nachweislich geringerer Nährstoffkonzentrationen werden dort hohe Raten der Nettoprimärproduktion gemessen, also die von Phytoplankton produzierte Biomasse, die die Grundlage der marinen Nahrungspyramide bildet. Andere Untersuchungen konnten in Phytoplankton nahe der Wasseroberfläche Stickstoff aus tieferen Wasserschichten nachweisen. Auch ihre sich über Millionen von Jahren entwickelte Form lässt aktivere Wanderungen der Kleinstorganismen vermuten: Denn mindestens zwei Drittel aller Arten können sich nachweislich aktiv bewegen. Wozu, wenn sie sich nur passiv von der Strömung treiben lassen? Die neue Studie stellt nun die Theorie auf: Phytoplankton bewegt sich aktiv vertikal zwischen den oberen und tieferliegenden Wasserschichten. So gelangen sie an beides – Licht in den oberen Schichten und Nährstoffe aus der Tiefe.

Ein ständiges Auf und Ab

Das Team um Kai Wirtz legt dar, dass obwohl Phytoplankton oft nur wenige Meter pro Tag schwimmt beziehungsweise sinkt, es in der Lage ist, mit der „Energiereserve“ aus der Photosynthese im lichtreichen Oberflächenwasser etwa 10 bis 80 Meter tiefer zu gelangen. Dort könne es genügend Nährstoffe aufnehmen, bis es sich wieder aktiv in Richtung Wasseroberfläche bewegt. Dieser Bewegungskreislauf entspräche einer aktiven Kohlenstoffpumpe, die sehr viel effizienter arbeitet als bisher vermutet.
„Wir nehmen anhand unserer Modellrechnungen an, dass aktuelle Schätzungen der ozeanischen Kohlenstoffaufnahme deutlich nach oben korrigiert werden müssen,“ so Wirtz.

Jan Taucher, Mitautor der Studie sagt dazu: „Es gab in der Vergangenheit einzelne Fallstudien, die zeigten, dass manche Phytoplankton-Arten aktiv vertikal wandern und somit auch Nährstoffe und Kohlenstoff transportieren können. Die Synthese von zahlreichen Beobachtungsdaten mit dem neuen ökologischen Modell in unserer aktuellen Studie belegt, dass dieses Phänomen viel weiterverbreitet ist als bislang angenommen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass bisherige Berechnungen die ozeanische Produktivität und Kohlenstoffaufnahme womöglich unterschätzt haben“.

Das 60-fache des deutschen Kohlenstoffausstoßes

Noch gibt es keine Technologie, mit der die Theorie direkt auf der mikroskopischen Ebene der Organismen empirisch bewiesen werden kann. Doch dazu Untersuchungen anzustoßen, könnte sich lohnen. Sollte sich die vertikale Wanderung des Phytoplanktons bewahrheiten, hieße das: Ozeane und Meere nähmen viel mehr CO₂ auf als aktuell angenommen und das auch bei zukünftig steigenden Luft- und Wassertemperaturen. Nach den Berechnungen des Autorenteams, zu dem auch Moritz Mathis vom Helmholtz-Zentrum Hereon und Lan Smith vom Earth SURFACE System Research Center gehören, würden damit bis 2100 etwa 40 Gigatonnen CO₂ pro Jahr mehr aufgenommen werden als von aktuellen Klimamodellen vorhergesagt. Das entspricht dem Sechzigfachen des deutschen Kohlenstoffausstoßes und damit grob 10 Prozent unseres Kohlenstoffbudgets. Das würde das Klimakonto der Welt deutlich nach oben korrigieren. Dafür ist es aber nötig, die wesentlichen Prozesse genau zu kennen, einschließlich der Verhaltensmuster von Kleinstorganismen. Die Überprüfung der Theorie aus der Studie könnte dafür einen entscheidenden Beitrag leisten.