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Einzellige Lebewesen wie diese kommen weltweit in Seen und Flüssen vor Paramecium bursaria kann sowohl essen als auch Photosynthese betreiben. Mikroben wie diese spielen beim Klimawandel eine doppelte Rolle, indem sie Kohlendioxid freisetzen oder absorbieren – das wärmespeichernde Treibhausgas, das die Hauptursache für die Erwärmung ist – je nachdem, ob sie auf einen tierähnlichen oder einen pflanzenähnlichen Lebensstil angewiesen sind. Bildnachweis: Daniel J. Wieczynski, Duke University
Eine neue Studie zeigt, dass steigende globale Temperaturen weit verbreitete mikrobielle Gemeinschaften weltweit von Kohlenstoffsenken zu Kohlenstoffemittenten machen könnten, was möglicherweise Wendepunkte des Klimawandels auslösen könnte. Diese Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift der British Ecological Society veröffentlicht. Funktionelle Ökologie.
- Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Meeresplankton und andere einzellige Organismen, sogenannte mixotrophe Mikroben, in einem sich erwärmenden Klima von Kohlenstoffsenken zu Kohlenstoffemittenten werden können.
- Die Forschung kommt außerdem zu dem Schluss, dass Veränderungen im Verhalten dieser Organismen unmittelbar vor ihrem Wechsel als Frühwarnsignal für Wendepunkte des Klimawandels dienen können.
- Allerdings kann ein Anstieg des Nährstoffgehalts in der Umwelt, beispielsweise Stickstoff aus landwirtschaftlichen Abwässern, diese Warnsignale abschwächen.
Kohlenstoff sinkt zu Kohlenstoffemittenten
Mixotrophe Mikroben sind Organismen, die zwischen Photosynthese wie Pflanzen (Kohlendioxid absorbieren) und fressen wie Tieren (Kohlendioxid freisetzen) wechseln können. Sie kommen weltweit häufig vor, kommen häufig in Süßwasser- und Meeresumgebungen vor und machen schätzungsweise den Großteil des Meeresplanktons aus.
Durch die Entwicklung einer Computersimulation, die modellierte, wie mixotrophe Mikroben als Reaktion auf die Erwärmung Energie aufnehmen, haben Forscher der Duke University und der University of California Santa Barbara herausgefunden, dass mixotrophe Mikroben unter Erwärmungsbedingungen von Kohlenstoffsenken zu Kohlenstoffemittenten werden.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich diese sehr häufig vorkommenden mikrobiellen Gemeinschaften bei steigenden Temperaturen von einem Netto-Kühleffekt auf den Planeten hin zu einem Netto-Erwärmungseffekt verändern könnten.
Dr. Daniel Wieczynski von der Duke University und Hauptautor der Studie sagte: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass mixotrophe Mikroben viel wichtigere Akteure bei den Reaktionen des Ökosystems auf den Klimawandel sind als bisher angenommen.“ Durch die Umwandlung mikrobieller Gemeinschaften in Netto-Kohlendioxidquellen als Reaktion auf die Erwärmung könnten Mixotrophe die Erwärmung weiter beschleunigen, indem sie eine positive Rückkopplungsschleife zwischen der Biosphäre und der Atmosphäre schaffen.“
Der mixotrophe Protist Paramecium bursaria kann Bakterien fressen oder nutzen[{” attribute=””>photosynthesis to get energy and carbon. Photosynthesis occurs inside the endosymbiotic Chlorella algae (green spheres) that live inside P bursaria cells. Credit: Daniel Wieczynski
Dr Holly Moeller of University of California Santa Barbara and co-author of the study added: “Because mixotrophs can both capture and emit carbon dioxide, they are like ‘switches’ that could either help reduce climate change or make it worse. These bugs are tiny, but their impacts can really scale up. We need models like this to understand how.”
Dr. Jean-Philippe Gibert of Duke University and another co-author of the study said: “State-of-the-art predictive models of long-term climate change currently only account for microbial action in an extremely reductive, partial, or sometimes plain wrong fashion. Research like this is therefore much needed to improve our broader understanding of the biotic controls on Earth’s atmospheric processes.”
An early warning system
The researchers’ model also revealed that right before mixotrophic microbe communities switch to emitting carbon dioxide, their abundance starts to fluctuate wildly. These changes could be detected in nature by monitoring mixotrophic microbe abundance and offer hope that these microbes could act as early warning signals for climate change tipping points.
Dr. Wieczynski said: “These microbes may act as early indicators of the catastrophic effects of rapid climate change, which is especially important in ecosystems that are currently major carbon sinks like peatlands, where mixotrophs are highly abundant.”
However, the researchers also found these early warning signals can be muted by increases of nutrients like Nitrogen to the environment, typically caused by runoff from agriculture and wastewater treatment facilities.
When higher amounts of such nutrients were included in the simulations, the researchers found that the range of temperatures over which the tell-tale fluctuations occur starts to shrink until eventually the signal disappears and the tipping point arrives with no apparent warning.
“Detecting these warning signs is going to be challenging. Especially if they’re getting more subtle with nutrient pollution.” Said Dr. Moeller. “However, the implications of missing them are huge. We could wind up with ecosystems in a much less desirable state, adding greenhouse gases to the atmosphere instead of removing them.”
In the study, the researchers ran simulations using a 4-degree span of temperatures, from 19 to 23 degrees Celsius. Global temperatures are likely to surge 1.5 degrees Celsius above pre-industrial levels within the next five years, and are on pace to breach 2 to 4 degrees before the end of this century.
The researchers caution that the mathematical modeling used in the study draws on limited empirical evidence to investigate the effects of warming on microbial communities. Dr Wieczynski said: “Although models are powerful tools theoretical results must ultimately be tested empirically. We strongly advocate for further experimental and observational testing of our results.”
Reference: “Mixotrophic microbes create carbon tipping points under warming” by Daniel J. Wieczynski, Holly V. Moeller and Jean P. Gibert, 31 May 2023, Functional Ecology.
DOI: 10.1111/1365-2435.14350
The study was funded by the Simons Foundation, the National Science Foundation, and the U.S. Department of Energy.
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