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Der Tiefsee auf der Spur

07.09.2011
Publikation in "Science" zum Stoffwechsel ozeanischer Bakterien

Die Tiefsee ist der größte und am wenigsten erforschte Lebensraum der Erde. Dort hat Gerhard J. Herndl, Meeresbiologe an der Universität Wien, erstmals Bakterien entdeckt, die wie Pflanzen das Enzym Ribulose-Biphosphat-Karboxylase (RuBisCO) besitzen.

Dieses Enzym spielt bei der Photosynthese der Pflanzen eine wichtige Rolle, sie wandeln damit Kohlendioxid in organischen Kohlenstoff und Biomasse um. Bei den neu entdeckten Tiefsee-Bakterien dient jedoch nicht Sonnenlicht als Energiequelle, sondern sie ernähren sich von Schwefelverbindungen. Die aktuellen Forschungsergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift "Science" erschienen.

Die Tiefsee – ein riesiger Wärmepuffer und Kohlenstoffspeicher – spielt eine entscheidende Rolle beim Klimawandel. Gerhard J. Herndl, Professor für Meeresbiologie/aquatische Biologie an der Universität Wien und ausgezeichnet mit einem ERC Advanced Grant 2010 und dem Wittgenstein-Preis 2011, ist den Rätseln des dort vorherrschenden Kohlenstoffkreislaufes auf der Spur. Etwa zwei Drittel aller Mikroorganismen des Meeres finden sich in der dunklen Region des Ozeans unterhalb von 200 m Tiefe, wo es kein Sonnenlicht gibt.

Der überwiegende Teil dieser Mikroben der Tiefsee ernährt sich von abgestorbenen organischen Partikeln, die als pflanzliches Plankton im sonnendurchfluteten Wasser der obersten 150 m der Ozeane produziert werden und als organischer Partikel-Regen ins Tiefenwasser absinkt. "Wie alle Pflanzen wandelt auch das pflanzliche Plankton, das sogenannte Phytoplankton, Kohlendioxid mit Hilfe von Sonnenlicht in organische Verbindungen um. Bei diesem Prozess – bekannt als Photosynthese – spielt das Enzym Ribulose-Biphosphat-Karboxylase (RuBisCO) eine wesentliche Rolle", erklärt Herndl.

Nitrifizierer: Kohlendioxid-fixierende Mikroben

Sogenannte heterotrophe Mikroorganismen nehmen organisches Material auf, um neue Zellen zu bilden. Der überwiegende Teil des aufgenommenen organischen Materials wird aber in anorganisches Material umgewandelt und als Nährstoffe und Kohlendioxid in das Wasser abgegeben. Nur wenige Mikroorganismen im finsteren Tiefwasser der Ozeane können so wie das Phytoplankton aus Kohlendioxid organische Kohlenstoffverbindungen herstellen. Die am besten untersuchten Kohlendioxid-fixierenden Mikroben der Tiefsee sind die sogenannten Nitrifizierer, die Ammonium in Nitrat umwandeln und durch diesen Prozess ihre Energie gewinnen.

Hohe Kohlendioxid-Fixiering im tiefen Ozean

Messungen der Kohlendioxid-Fixierung im Atlantik haben allerdings ergeben, dass die Kohlendioxid-Fixierung um ein Vielfaches höher ist, als durch die Umwandlung von Ammonium zu Nitrit und nachfolgend zu Nitrat erklärt werden kann. Herndl schlussfolgert daraus: "Es muss also weitere, bisher unbekannte Mikroorganismen im ozeanischen Tiefenwasser geben, die Kohlendioxid in organische Verbindungen umwandeln. Dazu benötigen sie eine zum Sonnenlicht alternative Energiequelle, die nur von chemischen Verbindungen stammen kann."

Schwefelverbindungen als Energiequelle

Ribulose-Biphosphat-Karboxylase (RuBisCO) ist das häufigste Protein auf der Erde, weil es in allen Pflanzen vorkommt und als Enzym bei der Photosynthese verwendet wird. Genau dieses Enzym konnte nun erstmals in Bakterien, die sich in Wassertiefen von 200 bis 3.000 m – jenseits von jeglichem Sonnenlicht – befinden, nachgewiesen werden. "Diese autotrophen Mikroben beziehen ihre Energie offenbar aus Schwefelverbindungen. Wir konnten entsprechende Gene in den Mikroben finden", so Meeresbiologe Herndl.

In sauerstofflosen Lebensräumen nutzen anaerobe Mikroorganismen

Schwefelverbindungen als Energiequelle, so z.B. im Boden von seichten Gewässern und Meeren sowie in speziellen sauerstofflosen Regionen des Freiwassers wie in den Tiefen der Ostsee oder des Schwarzen Meeres. In den weiten Bereichen des offenen Ozeans, wie dem Pazifik oder dem Atlantik, gibt es jedoch genügend Sauerstoff zum Veratmen.

Trotzdem fand das internationale WissenschafterInnenteam eine Vielzahl von Bakterien in den sauerstoffhaltigen Regionen des Pazifiks und Atlantiks, die als Energiequelle Schwefelverbindungen oxidieren und Kohlendioxid in Biomasse umwandeln. Herndl und sein Team konnten aufzeigen, dass eine Gruppe von Bakterien, die sowohl das Gen für RuBisCO als auch jenes zur Oxidation von Schwefelverbindungen besitzt, vorwiegend auf Partikel in der Tiefsee vorkommen. Der Meeresbiologe vermutet folgendes: "Diese Millimeter bis Zentimeter großen Partikel, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 m pro Tag in die Tiefsee rieseln, könnten in ihrem Inneren sauerstofflos sein. Somit könnten in einer sauerstoffhältigen Umgebung sauerstofflose Mikrozonen im Inneren von Partikeln existieren."

Internationale Hightech-Forschung

Diese überraschenden Ergebnisse wurden durch eine Kombination von verschiedenen mikrobiologischen und molekularen Methoden erbracht. Die Genanalyse von Bakterienzellen wurde vom "Bigelow Laboratory for Ocean Sciences" in Maine/USA vorgenommen, während die Gruppe um Herndl die Kohlenstoff-Fixierung dieser Bakterien nachwies. Die Befunde zeigen, wie wenig bisher über die vielfältigste Lebensform der Erde, die Mikroorganismen, bekannt ist. Die nun publizierten Forschungsergebnisse sind ein wesentlicher Schritt zu einem besseren Verständnis der Prozesse in der Tiefsee. Gefördert wurde das Projekt vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF), von der European Science Foundation (ESF), der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF), der Gordon & Betty Moore Foundation und der Niederländischen Forschungsorganisation (NWO).

Im Herbst dieses Jahres wird der renommierte Meeresbiologe und sein Team, finanziert über ein ERC Advanced Grant, ein FWF-Projekt und dem Wittgenstein-Preis, zu einer weiteren einmonatigen Forschungsfahrt in den Nordatlantik aufbrechen.

Publikation
Potential for Chemolithoautotrophy Among Ubiquitous Bacteria Lineages in the Dark Ocean. Brandon K. Swan, Manuel Martinez-Garcia, Christina M. Preston, Alexander Sczyrba, Tanja Woyke, Dominique Lamy, Thomas Reinthaler, Nicole J. Poulton, E. Dashiell P. Masland, Monika Lluesma Gomez, Michael E. Sieracki, Edward F. DeLong, Gerhard J. Herndl, Ramunas Stepanauskaus. In: Science, September 1, 2011.
Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Gerhard J. Herndl
Leiter des Departments für Meeresbiologie
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14 (UZA I)
T +43-1-4277-57100
gerhard.herndl@univie.ac.at
Rückfragehinweis
Mag. Veronika Schallhart
Öffentlichkeitsarbeit
Universität Wien
1010 Wien, Dr.-Karl-Lueger-Ring 1
T +43-1-4277-175 30
M +43-664-602 77-175 30
veronika.schallhart@univie.ac.at

Veronika Schallhart | Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.univie.ac.at
http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.1203690

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