Anstieg und Fall von Sauerstoff in der Archaischen Atmosphäre - Spielte die temporäre Versenkung von Kohlenstoff als Fe(ox)-DOM Komplexe eine modulierende Rolle?

• Antragsteller: Professor Christian Hallmann, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404679450

Molekularer Sauerstoff gilt immer noch als Haupttreiber für die Entwicklung von immer komplexerem Leben auf der Erde. In dieser Hinsicht repräsentieren die Entstehung der oxygenen Photosynthese und das "Great Oxidation Event" (GOE) zwei zentrale erdgeschichtliche Ereignisse. Details über den langwierigen Anstieg des Luftsauerstoffs sind jedoch noch unklar. Wir wissen, dass der anfängliche, wesentliche Anstieg von atmosphärischem O2 unmittelbar von einem erneuten Rückgang gefolgt wurde. Erst viel später, während des Neoproterozoikums, kam es zu einem erneuten Anstieg - diesmal auf ein stabiles, fast-modernes Niveau. Was verursachte das Überschießen und den erneuten Rückgang? Die bei der oxygenen Photosynthese freigesetzte Oxidationskraft entspricht stöchiometrisch der Menge an Kohlenstoff, die aus CO2 in Biomasse gebunden wird. Die Remineralisierung der Biomasse verursacht dabei einen erneuten O2-Abbau, und daher wäre die Oxidation der frühen Erdatmosphäre ohne Kohlenstoffablagerung und die Bildung eines C-Reservoirs in der Erdkruste nicht möglich gewesen. Sobald Biomasse das Sediment erreicht, wird sie allmählich in stabiles Kerogen umgewandelt und typischerweise im geologischen Teil des Kohlenstoffkreislaufs auf Zeitskalen > 10^6 Jahren eingeschlossen. Aber dies könnte für labilere Formen von Kohlenstoff sehr unterschiedlich gewesen sein. Wir wissen, dass der Anteil von gelöstem organischem Material (DOM) in den Ozeanen des Archaikums um Größenordnungen größer war als derzeit, und dass während des Archaikum enorme Mengen an gebänderten Eisenformationen (BIF) abgelagert wurden. Das BIF-Vorläufer-Mineral Ferrihydrit neigt dazu, große Mengen an DOM zu adsorbieren. Allerdings kann es aufgrund seiner geringen Stabilität bereits in frühesten Stadien der Metamorphose rekristallisieren. In diesem Projekt testen wir die Hypothese dass DOM-Ferrihydrit-Komplexe vorübergehend genügend organisches Material vergraben haben könnten, um einen erheblichen Anstieg an atmosphärischem O2 zu bewirken. Im Gegensatz zum Kerogen ist über das geologische Schicksal von DOM praktisch nichts bekannt. Es könnte daher bei der früh-metamorphen Rekristallisation des Ferrihydrits aus unreifen BIF-Sedimenten verloren gegangen sein. Die heterotrophe Verwertung des freigesetzten DOM würde anschließend den zuvor freigesetzten Sauerstoff herunterregulieren. Wir werden Komplexe aus Ferrihydrit und reinem cyanobakteriellem DOM erzeugen, die einer simulierten Metamorphose im Autoklaven unterzogen werden um Stabilität und Verhalten von DOM unter katagenetischen und früh-metamorphen Bedingungen aufzudecken. Schließlich evaluieren wir die Möglichkeit einer temporären Kohlenstoffspeicherung in BIFs als Modulator für den atmosphärischen Sauerstoffgehalt im Archaikum - sowohl das Ansteigen als auch das erneute Absinken. Dabei wird im Wesentlichen die Wahrscheinlichkeit einer tektonischen Kontrolle auf den langwierigen O2-Anstieg und die Entwicklung der organismischen Komplexität bewertet.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1833: Building a Habitable Earth