Visualisierung von gelöstem ozeanischem Kohlenstoff auf atomarer Skala

Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) im Ozean ist der größte reduzierte Kohlenstoffspeicher der Erde, etwa 200-mal so massereich wie die lebende Biosphäre und vergleichbar mit dem atmosphärischen CO₂-Pool. Doch nur etwa 10 % des DOC wurden chemisch charakterisiert, was eine kritische Wissenslücke für die Vorhersage hinterlässt, wie dieser gewaltige Speicher auf steigende Temperaturen und andere Klimawandel-Belastungen reagieren wird.

In einer Kollaboration zwischen IBM Research – Zürich und führenden chemischen Ozeanographen der Universität Zürich, UC Irvine und UC Santa Cruz gelang es Forschern erstmals, die einzelnen Moleküle abzubilden, die DOC zusammensetzen. Die Ergebnisse, nun im peer-reviewten Journal Geophysical Research Letters veröffentlicht, öffnen ein neues Fenster in den ozeanischen Kohlenstoffkreislauf.

Das Rätsel des alten ozeanischen Kohlenstoffs

Während DOC weitgehend von oberflächennahem Phytoplankton stammt, zeigt Radiocarbon-Datierung, dass sein mittleres Alter etwa 2.400 Jahre älter ist als erwartet, was impliziert, dass ein Teil dieses Kohlenstoffs mehrere Tiefsee-Durchmischungszyklen überlebt. Eine führende Hypothese führt diese Langlebigkeit auf die chemische Struktur von DOC zurück – eine Hypothese, die bisher nicht getestet werden konnte.

Interdisziplinäre Kollaboration bricht neues Terrain auf

Durch Kombination fortgeschrittener Analytik mit Meereswissenschaft nutzte das Team Rasterkraftmikroskopie (AFM), um einzelne DOC-Moleküle mit atomarer Auflösung abzubilden – eine Technik, die von IBM-Wissenschaftlern 2009 pioniert wurde. Die AFM-Bilder enthüllen die präzisen Struktureigenschaften, die bestimmen, wie sich DOC im Ozean verhält.

Proben sowohl von der Oberfläche als auch aus 2.500 m Tiefe im Nordpazifik wurden untersucht. Die Analyse zeigt, dass Tiefsee-Moleküle planarer sind und weniger aliphatische Gruppen enthalten als Oberflächenmoleküle, was die Idee stützt, dass strukturelle Rekalzitranz dem hohen Alter von tiefem DOC zugrunde liegt.

Warum DOC wichtig ist

DOC repräsentiert einen Kohlenstoffspeicher, der der Atmosphäre vergleichbar ist. Das Verständnis seiner strukturellen Resilienz ist essenziell, um vorherzusagen, wie sich der ozeanische Kohlenstoffkreislauf in einer erwärmenden Welt verschieben wird, insbesondere da Verschmutzung die marinen Ökosysteme weiterhin belastet. Die Fähigkeit, einzelne Moleküle zu visualisieren, bietet ein mächtiges Werkzeug zur Bewertung der Ozeangesundheit und zur Lenkung der Klimapolitik.

Direct visualization of individual aromatic compound structures in low molecular weight marine dissolved organic carbon, DOI: 10.1029/2018GL077457