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Wie der Ozean gedüngt wird

21.09.2012
Neue Visualisierungstechniken bieten künftig auch in Leipzig Einblicke in die Mikrobiologie

Ein internationales Wissenschaftlerteam hat eine Lebensgemeinschaft entdeckt, die hilft, den Ozean zu düngen. Dazu trägt eine Symbiose zwischen einem kleinen Cyanobacterium und einer einzelligen Alge bei, schreiben die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts SCIENCE (DOI: 10.1126/science.1222700).

Die symbiontischen Partner fixieren Stickstoff und liefern somit ein wichtiges Bindeglied für den Stickstoff- und Kohlenstoffhaushalt des Ozeans. Das Cyanobakterium UCYN-A fixiert den Stickstoff und stellt ihn in bioverfügbarer Form der Alge per Symbiose zur Verfügung. Die Alge liefert im Gegenzug dem Cyanobakterium Kohlenstoff.

Diese Symbiose zum gegenseitigen Vorteil wird auch als Synthophie bezeichnet. Die Alge schleust den organisch gebundenen Stickstoff dann als Dünger in die Nahrungskette des Ozeans ein.

„Zur Untersuchung der Stickstofffixierung und des Stoffaustausches zwischen Cyanobacterium und Alge haben wir isotopisch markiertes schweres Stickstoffgas (15N2) und Bikarbonat (H13CO3-) verwendet“, sagt Dr. Niculina Musat, die in Bremen an der Entdeckung beteiligt war.

Möglich wurde dieser Nachweis mithilfe einer NanoSIMS zur Visualisierung von Elementen und deren Isotopen auf zellulärer Ebene. NanoSIMS ist eine Ionenstrahlanalytik mit Bildgebung und erlaubt die chemische Analyse mikroskopisch kleinster Objekte.

Dr. Niculina Musat ist inzwischen vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie (http://www.mpi-bremen.de/Symbiose_zwischen_marinen_Mikroorganismen.html) an das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) nach Leipzig gewechselt und baut im Department für Isotopenbiogeochemie des UFZ ein NanoSIMS-Labor auf. „Die NanoSIMS 50L sind eine Sonderanfertigung, von denen es weltweit weniger als 40 Anlagen gibt. Unsere Anlage wird die Version 38 dieses Systems sein“, sagt Dr. Musat. Mit diesem 3,2 Mio Euro teuren Gerät wird es möglich sein, ein dreidimensionales Bild der Element- und Isotopenzusammensetzungen einer Probe im Bereich von weniger als 50 Nanometern zu erstellen.
Die Anlage wird hauptsächlich für terrestrische Mikrobiologie eingesetzt werden, um Mikroorganismen aus dem Boden sowie aus Seen, Flüssen oder Feuchtgebieten zu untersuchen. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet werden Abbauprozesse in kontaminierten Industriestandorten sein. Das NanoSIMS-Labor in Leipzig wird daher bestehende Anlagen ergänzen, die sich wie beispielsweise in Bremen auf marine Mikrobiologie konzentrieren.

Das neue Labor wird mit einer Probenpräparation für höchste Ansprüche ausgestattet. Flankierend werden für die chemische Mikroskopie ein Raman-Mikroskopie- und Rasterkraft-Mikroskopie-Labor sowie eine Plattform für die korrelative Mikroskopie aufgebaut Die Informationen aus NanoSIMS, Rasterkraft- und Ramananalyse als auch andere mikroskopischer Techniken können zu Bildern zusammengefügt werden und in der Korrelativen Mikroskopie gemeinsam ausgewertet werden.

Die Labore zur chemischen Mikroskopie für die Analyse von Elementen und Isotopen sollen Mitte 2013 ihre volle Arbeitskapazität besitzen und stehen dann auch für die Forschung in der Region zur Verfügung. Die Techniken werden neue Möglichkeiten zur Untersuchung der stofflichen Wechselwirkung in der Nanowelt biologischer Systeme in Leipzig eröffnen. „In der Nanotechnologie, Bio(Geo)chemie, Mikrobiologie, biomedizinischen Forschung und den Umweltwissenschaften stellt die Charakterisierung der molekularen und atomaren Zusammensetzung sehr kleiner organischer Objekte eine Schlüsselkompetenz dar. Damit wollen wir die Prozesse an (biologischen) Grenzflächen besser verstehen lernen“, erläutert Dr. Hans-Hermann Richnow vom UFZ. „Für diese Aufgabenstellung sollen analytische Möglichkeiten für die chemische Mikroskopie in unserer Forschungsregion etabliert werden, die einmalig in Europa sind und unsere Stellung in der internationalen Spitzenforschung sichern.“

Publikation:
Anne W. Thompson, Rachel A. Foster, Andreas Krupke, Brandon J. Carter, Niculina Musat, Daniel Vaulot, Marcel MM Kuypers, & Jonathan P. Zehr (2012): Novel unicellular cyanobacterium is symbiotic with a single-celled eukaryotic alga. Science, 21 September 2012: 1546-1550.
DOI: 10.1126/science.1222700
http://www.sciencemag.org/content/337/6101/1546.abstract
Die Studie wurde gefördert von der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) sowie der Gordon and Betty Moore Foundation USA.

Weitere fachliche Informationen:
zur SCIENCE-Publikation:
Dr. Rachel Foster
Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, Bremen
Telefon: +49 421 2028-655
http://www.mpi-bremen.de/Rachel_Foster.html
Prof. Dr. Marcel Kuypers
Telefon: +49 421 2028-602
http://www.mpi-bremen.de/Marcel_Kuypers.html

zur Isotopenbiogechemie am UFZ:
Dr. Hans-Hermann Richnow / Dr. Niculina Musat
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Telefon: 0341-235-1212, -1359
http://www.ufz.de/index.php?de=10650
http://www.ufz.de/index.php?de=30844
oder über
Tilo Arnhold (UFZ-Pressestelle)
Telefon: 0341-235-1635
http://www.ufz.de/index.php?de=640

Weiterführende Links:
Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie:
http://www.mpg.de/6356201/Symbiose_Mikroorganismen
UFZ- Department Isotopenbiogeochemie
http://www.ufz.de/index.php?de=5265

Im Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) erforschen Wissenschaftler die Ursachen und Folgen der weit reichenden Veränderungen der Umwelt. Sie befassen sich mit Wasserressourcen, biologischer Vielfalt, den Folgen des Klimawandels und Anpassungsmöglichkeiten, Umwelt- und Biotechnologien, Bioenergie, dem Verhalten von Chemikalien in der Umwelt, ihrer Wirkung auf die Gesundheit, Modellierung und sozialwissenschaftlichen Fragestellungen. Ihr Leitmotiv: Unsere Forschung dient der nachhaltigen Nutzung natürlicher Ressourcen und hilft, diese Lebensgrundlagen unter dem Einfluss des globalen Wandels langfristig zu sichern. Das UFZ beschäftigt an den Standorten Leipzig, Halle und Magdeburg 1000 Mitarbeiter. Es wird vom Bund sowie von Sachsen und Sachsen-Anhalt finanziert.
http://www.ufz.de/

Die Helmholtz-Gemeinschaft leistet Beiträge zur Lösung großer und drängender Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch wissenschaftliche Spitzenleistungen in sechs Forschungsbereichen: Energie, Erde und Umwelt, Gesundheit, Schlüsseltechnologien, Struktur der Materie, Verkehr und Weltraum. Die Helmholtz-Gemeinschaft ist mit über 33.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in 18 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 3,4 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Ihre Arbeit steht in der Tradition des Naturforschers Hermann von Helmholtz (1821-1894).

http://www.helmholtz.de

Tilo Arnhold | UFZ News
Weitere Informationen:
http://www.ufz.de/index.php?de=30840
http://www.mpg.de/6356201/Symbiose_Mikroorganismen
http:///www.sciencemag.org/content/337/6101/1546.abstract

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