Wie Sonnenlicht und Mikroben im Permafrost Kohlenstoff zur Atmosphäre hinzufügen

Permafrost 10 8Rose Cory steht in einem Strom von Schmelzwasser in der Arktis, um eine Probe zu sammeln und die Chemie des Bachwassers zu analysieren. Bodenorganische Stoffe geben dem Bach seine goldbraune Farbe. Im Wasser kann die Sonne Kohlenstoff aus dem Boden erreichen, diesen schwächen und es den Mikroben erlauben, sie abzubauen und als Kohlendioxid in die Atmosphäre abzugeben. (Quelle: Rose Cory / U. Michigan)

Mikroben im Permafrost, die sonnengeschwächten Kohlenstoff aufnehmen und ihn in Kohlendioxid umwandeln, könnten einen neuen Weg für das Eindringen von Treibhausgasen in die Atmosphäre darstellen.

Die Forscher hatten gewusst, dass das Sonnenlicht, das auf permanent gefrorenen Boden oder Permafrost in der Arktis strahlt, Kohlenstoff in diesem Permafrost abbaut und das Treibhausgas in die Atmosphäre freisetzt, aber sie wussten nicht, wie der Prozess ablief.

Zuvor hatte Collin Ward, ein frischgebackener Doktorand an der University of Michigan und Erstautor der Studie, gezeigt, dass sich mikrobielle Gemeinschaften im tiefen Permafrost schnell anpassen können, um sonnengeschwächten Kohlenstoff zu konsumieren. Permafrostboden, typischerweise unterirdisch vergraben, kann dem Sonnenlicht ausgesetzt werden, wenn er aufgetaut und zu einem Bach gespült wird, wo die Sonneneinstrahlung den Kohlenstoff in diesem Permafrost schwächt und ihn in Kohlenstoff umwandelt, den diese mikrobiellen Gemeinschaften gerne verbrauchen.

Die neue Studie zeigt, dass das Sonnenlicht den Permafrostboden zu einem Festmahl für Mikroben macht, weil es ihnen die gleichen Arten von Kohlenstoff gibt, die sie bereits gerne essen - der Kohlenstoff, den sie für den Stoffwechsel nutzen.

Während der Permafrost mehr taut - die Arktis erwärmt sich doppelt so schnell wie der Rest der Welt - hat er die Fähigkeit, eine unglaubliche Menge Kohlenstoff als Kohlendioxid in die Atmosphäre freizusetzen. Wenn der gesamte im Permafrost enthaltene Kohlenstoff in Kohlendioxid umgewandelt würde, würde er die Menge an Kohlenstoff in der Atmosphäre mehr als verdoppeln. Sehr wenige Modelle, die Klimaszenarien für die Zukunft vorhersagen, schließen diese Kohlenstoffemissionen aus Permafrost ein, sagt Rose Cory, eine außerordentliche Professorin für Erd- und Umweltwissenschaften.

"Es ist der Unterschied zwischen einem Buffet mit einer Menge Auswahl und einigen nicht sehr guten Optionen, im Gegensatz zu einem Buffet, wo jedes Gericht am besten schmeckt", sagt sie. "Sonnenlicht verwandelt den Kohlenstoff von Permafrostböden in Mikrobenfavoriten, die ihnen helfen, mehr Kohlenstoff in Kohlendioxid umzuwandeln."

permafrost2 10 8Ein Strom von Schmelzwasser fließt durch Schnee in der Arktis. Bodenorganische Stoffe geben dem Bach seine goldbraune Farbe. (Bildnachweis: Jason Dobkowski / U. Michigan)


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Permafrost in der Arktis kann von Mikroben nicht zersetzt werden, bis er wärmt und taut. Sobald dies der Fall ist, beginnt die mikrobielle Gemeinschaft mit der Zersetzung dieses Boden-Kohlenstoffs, ernährt sich langsam davon und wandelt es dabei in Kohlendioxid um.

Nicht alle Zersetzung von Bodenkohlenstoff findet jedoch im Boden statt. Schnee und Regen im Sommer spülen Bodenkohle in sonnenbeschienenen Bächen und Seen aus, wo die Sonne den Kohlenstoff im Boden schwächt. Frühere Forschungen zeigten, dass Mikroben viel besser in der Lage waren, sonnengeschwächten Kohlenstoff in Kohlendioxid umzuwandeln, aber sie wussten nicht warum.

Um zu bestimmen, wie das Sonnenlicht die Produktion von Kohlendioxid unterstützt, unterzogen Cory und ihr Team Bodenproben einer ultrahochauflösenden Massenspektrometrie, bevor und nachdem sie dem Sonnenlicht ausgesetzt wurden und bevor und nachdem diese organische Substanz der einheimischen Bakteriengemeinschaft zugeführt wurde. Sie sahen, dass die Bakteriengemeinschaften in den Permafrostbodenproben, die dem Sonnenlicht ausgesetzt waren, mehr Kohlendioxid freisetzen.

Sie überprüften ihre Ergebnisse mit einer anderen Methode: Untersuchung der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und der Genexpression durch die Mikroben. Die Forscher sahen, dass Mikroben nach der Sonnenbestrahlung ihre metabolische Maschinerie umgerüstet haben, um sonnengeschwächten Kohlenstoff zu verbrauchen.

Wenn man herausfindet, wie Sonnenlicht zur Freisetzung von Kohlendioxid von der Erde in die Atmosphäre beiträgt, erhalten die Forscher eine weitere Information darüber, wie man die Menge und Menge an Kohlendioxid bestimmen kann, die durch Permafrost freigesetzt wird.

"Es ist wohl die größte Feedback-Methode, um mehr Erwärmung auf der Erde zu verursachen", sagt Cory. "Wir sind im Rennen um herauszufinden, wie viel dieser Permafrost in Kohlendioxid umgewandelt wird."

Die Forscher berichten über ihre Arbeit in der Zeitschrift Nature Communications.

Quelle: University of Michigan

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