Ozeanversauerung schadet Kieselalgen Der saure Untergang eines unsichtbaren Meereskosmos

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GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

Kieselalgen zeigen nur unter dem Mikroskop ihre formenprächtige Schönheit. Für das bloße Auge sind sie unsichtbar. Doch ihr Beitrag für Mensch und Umwelt ist enorm: Sie sind ein entscheidender Teil maritimer Nahrungsnetze und zudem eine wichtige Kohlenstoffsenke. Bislang dachten Experten, die Kieselalgen wären von der Ozeanversauerung unberührt – doch neue Erkenntnisse zeichnen ein düsteres Schicksal der Mikroorganismen…

Kiel – Sie sind die wichtigsten Produzenten von pflanzlicher Biomasse im Meer: Kieselalgen tragen dazu bei, Kohlendioxid (CO₂) aus der Atmosphäre in den tiefen Ozean zu transportieren und somit unser Klima zu regulieren. Weil sie für den Bau ihrer Schalen nicht auf Kalk, sondern auf Kieselsäure angewiesen sind, galten sie bisher als Gewinner der Ozeanversauerung – einer chemischen Veränderung im Meerwasser, die durch die zunehmende Aufnahme von CO₂ ausgelöst wird und die Kalkbildung erschwert.

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 Forscher des Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, des Instituts für Geologische und Nuklearwissenschaften Neuseeland und der Universität von Tasmanien nun erstmals in einer Studie nach. Für ihre Untersuchung verknüpften sie eine übergreifende Analyse verschiedener Datenquellen mit Erdsystemmodellierung. Die Erkenntnisse ermöglichen eine neue Einschätzung der globalen Auswirkungen von Ozeanversauerung.

Wichtiger Bestandteil der marinen Ökosysteme

Als Folge der Ozeanversauerung lösen sich die Siliziumschalen von Kieselalgen langsamer auf als üblich. Was zunächst wie ein Vorteil klingt, ist tatsächlich ein Problem: Denn dadurch sinken Diatomeen (Kieselalgen) 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, wie die Wissenschaftler in ihrer aktuellen Publikation aufzeigen.

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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.

Forschung in Unterwasser-Kosmen

In der Meta-Analyse haben die Wissenschaftler 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.

Wie die Ozeanforschung mithilfe von Mesokosmen aussieht, und was es mit der Ozeanversauerung auf sich hat, zeigt auch dieses Video aus dem Jahr 2012 zur Arktis-Forschung des Geomar:

Wie viel Kieselalgen drohen zu verschwinden?

Die aus den Mesokosmen-Studien gewonnenen Erkenntnisse wurden anhand von globalen Beobachtungsdaten aus dem offenen Ozean bestätigt. Sie zeigen – passend zu den Ergebnissen der Meta-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.

Neue Klimastudie

Versauerung des Arktischen Ozeans größer als erwartet

„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“, sagt Dr. Jan Taucher, Meeresbiologe am Geomar und Erstautor der Studie. „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. Prof. 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.“

Originalpublikation: Taucher, J., Bach, L.T., J.A., Prowe, A.E.F., Boxhammer, T., Kvale, K., Riebesell, U.: Slower silica dissolution under ocean acidification triggers global diatom decline. Nature 605, pages 696–700 (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-04687-0

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