Bakterien bauen Gebirge

Berlin. Die meisten Wanderer in den Dolomiten ahnen nicht, dass das Mineral Dolomit in den mächtigen Felsen der "Drei Zinnen" oder des "Rosengartens" Geoforscher lange rätseln ließ, wie es einst entstand. In Experimenten im Labor zeigen Stefan Krause, Volker Liebetrau und Tina Treude von der Abteilung Marine Geosysteme des Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung in Kiel (Geomar) jetzt gemeinsam mit Kollegen in Zürich und Madrid in der Zeitschrift "Geology", dass Bakterien bei der Bildung dieses Minerals eine wichtige Rolle gespielt haben könnten.

Da es nicht nur in den Dolomiten, sondern auch in vielen anderen Weltgegenden wie am Sankt Gotthard in der Schweiz, in deutschen Bergregionen, aber auch in Rumänien, Namibia, Kanada und Brasilien vorkommt, haben Forscher dieses Material schon lange genau analysiert. Während Kalkstein vor allem aus Kalzium und Karbonat besteht, ersetzen im Dolomit Magnesium-Atome ungefähr jedes zweite Kalzium-Atom. Daher lösen Säuren einen Kalkstein relativ rasch auf, Dolomit dagegen trotzt dem sauren Regen gut.

Viele Kalksteine wie die in der Schwäbischen Alb entstanden einst aus lebenden Organismen: Die Kalkskelette von Korallenriffen, Muschelschalen oder der Panzer bestimmter einzelliger Algen wurden dabei von anderem Material am Grund von Meeren überdeckt und verwandelten sich in der Tiefe in Kalkstein. Geologische Prozesse können in diesem Kalk mit der Zeit Kalzium- gegen Magnesium-Atome austauschen, bis Dolomit entsteht.

Neben dieser sekundären Bildung entstand das Mineral aber früher offenbar auch direkt, heute aber nur noch in Ausnahmefällen. Einen davon hat Judith McKenzie von der ETH Zürich aufgedeckt: Sie fand im extrem salzhaltigen Wasser bestimmter Lagunen Bakterien, die statt Sauerstoff die chemische Verbindung Sulfat atmen und dort winzige Dolomit-Kristalle bilden. Solche Sulfat-Atmer kommen zwar relativ häufig vor, extrem salzhaltige Lagunen sind aber selten. "Dieser Prozess könnte niemals die großen Mengen Dolomit erklären, die in den letzten 600 Millionen Jahren entstanden sind", sagt Geomar-Forscher Stefan Krause. Im normalen Meerwasser dagegen sollten solche Vorgänge erst bei Temperaturen über 40 Grad Celsius auftreten, die in heutigen Meeren so gut wie nie vorkommen. Zumindest vermuteten das einige Theoretiker, da heute eben kaum noch solches primäre Dolomit entsteht.

Wichtig für Klimaforschung

Stefan Krause aber überprüfte diese Theorie im Labor mit einem Stamm Sulfat atmender Bakterien, die ursprünglich aus dem Meeresboden in den tiefen Bereichen des Mittelmeers stammen. Im künstlichen Meerwasser im Geomar-Labor bilden diese Mikroorganismen bei Temperaturen von 20 Grad Celsius einen Schleim, den Mikrobiologen "Biofilm" nennen. Und in diesem Mikrofilm entdeckte Stefan Krause winzige Dolomit-Kristalle. Das Mineral bildet sich also heute noch, aber vermutlich nur, wenn am Meeresboden viel organisches Material, aber kaum Sauerstoff vorhanden ist. Dann wachsen nämlich die Sulfat-Atmer gut. Das passt auch gut zur Geschichte des Dolomit, der sich häufig in Zeiten gebildet hat, in denen Sauerstoff im Wasser knapp war.

Die Geomar-Forscher aber klären die Bildung von Dolomit noch ein wenig genauer auf: Die Bakterien wuchsen im Labor in einem Wasser, in dem 4,8-mal mehr Magnesium-Atome als Kalzium-Atome schwammen. Ein ähnliches Verhältnis findet sich auch in den Weltmeeren. Im Biofilm aber kamen nur noch 0,87 Magnesium-Atome auf ein Kalzium-Atom. Offensichtlich reichern die Mikroorganismen also Kalzium gegenüber Magnesium kräftig an, bis beide Elemente ähnlich wie im Dolomit ungefähr gleich häufig vertreten sind. Tatsächlich zeigen auch die entstandenen Kristalle ein ähnliches Verhältnis.

Die Sulfat-Atmer aber reichern auch verschiedene Kalzium-Atomsorten unterschiedlich stark an, die von Forschern "Kalzium-Isotope" genannt werden. Das aber ist für Klimaforscher eine wichtige Information, da sie aus solchen Isotopen-Relationen auf zentrale Klimawerte längst vergangener Zeiten schließen. Kalzium selbst spielt dabei zwar kaum eine Rolle, aber ähnliche Atome wie Strontium sind da durchaus wichtig. "Bei solchen Isotopen untersuchen wir gerade die Anreicherung in Biofilmen", erklärt Stefan Krause. Die Erforschung von Dolomit könnte also auch die Klimaforschung weiterbringen.