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Wie wird Kohlenstoff in unterschiedlichen Ökosystemen verstoffwechselt und verarbeitet? Für eine neue Studie im Fachmagazin Communications Earth & Environment haben Forschende um Erstautorin Joely Maak und Wissenschaftlerin im Exzellenzcluster „Der Ozeanboden – Unerforschte Schnittstelle der Erde“ den Kohlenstoffkreislauf in einem speziellen marinen Ökosystem verfolgt.
Aus heißen Quellen am Ozeanboden entweicht Kohlendioxid, das viele Millionen Jahre alt ist. Dieser alte Kohlenstoff stammt aus dem Erdinneren: Er wird entweder direkt aus dem Erdmantel freigesetzt oder entsteht durch die Erhitzung und Umwandlung von Gesteinen in geologisch aktiven Zonen, die Kalk oder ähnliche mineralische Bestandteile mit Kohlenstoff enthalten. Solche Prozesse treten vor allem dort auf, wo Erdplatten aufeinandertreffen oder aufreißen und heißes, aufsteigendes Material den Untergrund aufheizt. Was jedoch mit diesem Kohlenstoff geschieht, nachdem er ins Meer gelangt, war bislang weitgehend unklar.
Der Weg des hydrothermalen Kohlenstoffs
Für eine neue Studie haben Forschende vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen und der National Sun Yat-sen University und des Exploration and Development Research Institute in Taiwan ein System heißer Quellen – Hydrothermalsysteme – in etwa zehn Meter Wassertiefe vor der taiwanesischen Insel Kueishantao untersucht, um den Weg dieses Kohlenstoffs durch das umgebende Meerwasser und die Aufnahme durch Mikroorganismen und sogar in höhere Lebewesen nachzuverfolgen.
„Wir konnten zeigen, dass Jahrtausende alter Kohlenstoff aus hydrothermalen Quellen Leben in diesen extremen Systemen antreiben kann“, sagt Joely Maak, die Erstautorin der Studie vom MARUM.
Das Team nutzt für diese Studie ein spezielles Isotop: Radiokohlenstoff (14C). Das radioaktive 14C entsteht in der oberen Atmosphäre der Erde durch kosmische Strahlung. Über Kohlendioxid gelangt das entstandene 14C dann in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf und wird von Pflanzen, Mikroorganismen und schließlich von Tieren aufgenommen. Solange ein Organismus lebt, bleibt der Anteil an 14C nahezu konstant. Stirbt er oder wird der Kohlenstoff über sehr lange Zeiträume von der Atmosphäre getrennt, zerfällt das 14C allmählich. Nach mehreren zehntausend Jahren ist es praktisch nicht mehr nachweisbar. Kohlenstoff aus dem Erdinneren ist extrem alt und schon sehr lange von der Atmosphäre getrennt, enthält daher kein 14C mehr.
Gelangt dieser Kohlenstoff über hydrothermale Quellen ins Meer, trägt er eine deutlich andere Signatur als moderner, atmosphärischer Kohlenstoff, er ist faktisch “14C-tot”. Genau diesen Unterschied nutzen die Forschenden jetzt für die aktuelle Studie, um den Weg des hydrothermalen Kohlenstoffs durch das marine Ökosystem nachzuverfolgen.
„Der Ansatz der Studie war es, den alten, 14C-freien Kohlenstoff aus hydrothermalen Quellen als natürlichen Marker zu nutzen. Dass sich der Fingerabdruck so deutlich durch das gesamte Nahrungsnetz, auch in höhere Organismen verfolgen lässt, war auch für uns überraschend“, so Dr. Hendrik Grotheer, Geochemiker am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar und Meeresforschung.
Wie ein effizienter Stoffwechselweg ganze Nahrungsnetze prägt
Bereits in früheren Arbeiten konnte das Team zeigen, dass spezialisierte Bakterien an diesen Quellen über eine besondere „Geheimwaffe“ verfügen: den sogenannten reduktiven Tricarbonsäurezyklus, kurz rTCA. Dieser besonders energieeffiziente Stoffwechselweg ermöglicht es Mikroorganismen, Kohlendioxid selbst unter extremen Bedingungen in ihre Biomasse einzubauen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen zeigt die neue Studie nun, dass der Kohlenstoff aus den heißen Quellen tatsächlich bis zu 30 Prozent der Biomasse der am Hydrothermalsystem lebenden Bakterien ausmacht und über das lokale Nahrungsnetz weitergegeben wird. Sogar Krebse, die direkt an den hydrothermalen Quellen leben, enthalten diesen alten Kohlenstoff, da sie sich von den am Hydrothermalsystem lebenden Bakterien ernähren. Dadurch erscheint ihr Körpergewebe messbar älter, als es in Wirklichkeit ist.
Der Projektleiter Dr. Enno Schefuß, MARUM, erläutert: „Nur durch die Kombination der Untersuchung spezifischer bakterieller Marker, sogenannter Fettsäuren, und Radiokohlenstoff-Analysen an diesen Fettsäuren war es möglich, diese neuen Befunde zu erlangen, also eine Kombination aus modernster Technik und sorgfältigster Laborarbeit.“
Auch Photosynthese nutzt hydrothermalen Kohlenstoff
Mithilfe von zusätzlichen Wasserstoffisotopen konnten die Forschenden zudem unterscheiden, ob der Kohlenstoff durch Chemosynthese oder durch Photosynthese aufgenommen wurde. Bei Photosynthese wird wie bei allen Pflanzen das Sonnenlicht zur Energieerzeugung genutzt, während Chemosynthese ganz ohne Sonnenlicht funktioniert: Hier verwenden Mikroorganismen reduzierte chemische Stoffe aus dem Erdinneren, um Energie zu gewinnen. Bisher wurde nie konkret nachgewiesen, dass Photosynthese eine Rolle bei der Aufnahme alten Kohlenstoffs aus Hydrothermalsystemen spielt. Die jetzige Studie zeigt durch die Verwendung verschiedener Isotopenanalysen, dass weiter entfernt von der Quelle auch Photosynthese-betreibende Organismen in erheblicher Distanz zum Hydrothermalsystem Kohlenstoff aufnehmen.
„Gleichzeitig zeigen die Ergebnisse, dass trotz dieser verschiedenen Aufnahmewege nur ein vergleichsweise kleiner Anteil des insgesamt freigesetzten Kohlenstoffs tatsächlich im lokalen Ökosystem verbleibt. Der Großteil des freigesetzten CO2 entzieht sich der direkten biologischen Nutzung und wird mit den umgebenden Wassermassen in den Ozean verteilt oder gelangt in die Atmosphäre“, fügt die Erstautorin Joely Maak hinzu. „Andererseits kann die Freisetzung von Komponenten, die in dieser Studie nicht berücksichtigt wurden, wie gelöster organischer Kohlenstoff und Mikronährstoffe aus marinen Hydrothermalquellen, die Biogeochemie der Ozeane beeinflussen. Dies wird in mehreren Projekten der zweiten Phase des Exzellenzclusters, die gerade gestartet wurde, genauer untersucht werden“, erklärt Co-Projektleiter Dr. Marcus Elvert vom MARUM.
Internationale Zusammenarbeit zur erfolgreichen Erforschung verborgener Prozesse im Ozean
Die Studie unterstreicht die Bedeutung langfristiger internationaler Zusammenarbeit zwischen Taiwan und Bremen und zeigt, wie moderne Isotopenmethoden dabei helfen können, bislang verborgene biogeochemische Prozesse im Meer sichtbar zu machen.
„Diese Studie zeigt, wie wichtig langfristige internationale Kooperationen für unser Verständnis komplexer Prozesse im Ozean sind“, sagt Dr. Solveig Bühring. „Zusammen mit meiner taiwanesischen Projektpartnerin Prof. Yu-Shih Lin habe ich die Feldarbeiten geleitet. Diese Kooperation ist durch ein gemeinsames DAAD-gefördertes Stipendium entstanden und hat sich zu einer äußerst erfolgreichen wissenschaftlichen Partnerschaft entwickelt. Ich hoffe sehr, dass wir diesen engen Austausch auch in Zukunft fortsetzen und gemeinsam weitere Einblicke in die Rolle hydrothermaler Systeme im globalen Kohlenstoffkreislauf gewinnen können.“
Die Studie ist zusätzlich finanziert und eingebunden in die Forschung des aktuellen Exzellenzclusters „Der Ozeanboden – Unerforschte Schnittstelle der Erde“. Ziel des Clusters ist es, Ozeanboden-Ökosysteme unter sich verändernden Umweltbedingungen sowie zentrale Stoffkreisläufe wie den des Kohlenstoffs besser zu verstehen.
Das MARUM gewinnt grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse über die Rolle des Ozeans und des Meeresbodens im gesamten Erdsystem. Die Dynamik des Ozeans und des Meeresbodens prägen durch Wechselwirkungen von geologischen, physikalischen, biologischen und chemischen Prozessen maßgeblich das gesamte Erdsystem. Dadurch werden das Klima sowie der globale Kohlenstoffkreislauf beeinflusst und es entstehen einzigartige biologische Systeme. Das MARUM steht für grundlagenorientierte und ergebnisoffene Forschung in Verantwortung vor der Gesellschaft, zum Wohl der Meeresumwelt und im Sinne der Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen. Es veröffentlicht seine qualitätsgeprüften, wissenschaftlichen Daten und macht diese frei zugänglich. Das MARUM informiert die Öffentlichkeit über neue Erkenntnisse der Meeresumwelt, und stellt im Dialog mit der Gesellschaft Handlungswissen bereit. Kooperationen des MARUM mit Unternehmen und Industriepartnern erfolgen unter Wahrung seines Ziels zum Schutz der Meeresumwelt.
Joely Maak
MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Telefon: 0421 21865585
E-Mail: jmaak@marum.de
Dr. Enno Schefuß
MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Telefon: 0421 21865526
E-Mail: eschefuss@marum.de
Joely Marie Maak, Marcus Elvert, Hendrik Grotheer, Yu-Shih Lin, Gesine Mollenhauer, In-Tian Lin, Solveig I. Bühring & Enno Schefuß: Physicochemical controls on ancient carbon assimilation into ecosystem biomass in shallow-water hydrothermal Systems. Commun Earth Environ (2026). DOI: 10.1038/s43247-026-03254-z
Video zur Forschung Joely Maaks am Kueishantao-Hydrothermalsystem
https://www.marum.de/Geheimwaffe-rTCA.html Link zur Veröffentlichung 2025
Weißes Wasser von Kueishantao: Schwefelhaltige hydrothermale Fluide lassen das Meer milchig erschein ...
Quelle: S. Bühring
Copyright: Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen; S. Bühring
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Biologie, Chemie, Geowissenschaften, Meer / Klima, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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