Yes, they can! Erster Nachweis bakterieller Manganoxid-Nutzung fürs Überleben nahe der H2S-„Todeszone“

IOW-Doktorand Jan Henkel mit Kulturen des neu isolierten H2S-oxidierenden Schwarz-Meer-Bakteriums, l. vor Bakterienwachstum, noch dunkel von MnO2, r. nach wachstumsbedingter Ausfällung von Mn(Ca)CO3. IOW / K. Beck

Im renommierten Fachjournal PNAS* präsentieren die Forschenden nun erstmals den Nachweis, dass ein dort häufiges Bakterium spezifisch Mangan(IV)-Oxid nutzt, um mit dessen Hilfe Stoffwechselenergie aus H2S zu gewinnen und es dabei in ungiftiges Sulfat umwandelt.

90 % des Schwarzen Meeres sind für Lebewesen, die auf Sauerstoffatmung angewiesen sind, unbewohnbar. Denn nur die obersten 100 bis 150 Meter der im Schnitt 1250 Meter tiefen Wassersäule können über Durchmischung mit Sauerstoff aus der Atmosphäre versorgt werden.

Darunter liegt das größte anoxische Meeresbecken der Welt, in dem durch Zersetzungsprozesse der gesamte gelöste Sauerstoff aufgebraucht wird und sich außerdem hochgiftiges H2S bildet.

Ursache für die Entstehung dieser so ausgedehnten lebensfeindlichen Umweltbedingungen ist die Tatsache, dass über Flüsse etwa doppelt so viel Süßwasser in das fast vollständig von Festland umschlossene Binnenmeer gelangt wie Salzwasser aus dem Mittelmeer über die schmalen Verbindungen Bosporus und Marmarameer.

So bildet sich eine äußerst stabile Schichtung, bei der leichteres salzarmes Oberflächenwasser (ca. 17 ‰ Salzgehalt) wie ein Deckel auf salzhaltigerem und dadurch dichterem Tiefenwasser (38–39 ‰ Salzgehalt) liegt und damit einen vertikalen Austausch weitgehend unterbindet.

Am oberen Rand dieser riesigen lichtlosen „Todeszone“, in der häufig viele Meter dicken, sogenannten suboxischen Zone, die keinen Sauerstoff mehr enthält, aber frei von giftigem H2S ist, „tobt“ überraschend viel Leben: Hier lässt sich eine hohe Stoffwechselaktivität von Bakterien nachweisen, die aus Kohlendioxid und anderen anorganischen Substanzen eigenes organisches Zellmaterial aufbauen – also Primärproduktion betreiben. Welcher Energiestoffwechseltyp dies unter den gegebenen Umweltbedingungen ermöglicht, war bislang jedoch unbekannt.

Wissenschaftler haben zwar schon lange vermutet, dass bei Abwesenheit von Sauerstoff oder eines anderen Elektronenakzeptors, wie beispielsweise Nitrat (NO3-), der sogenannte Braunstein – Mangan(IV)-Oxid (MnO2) – diese Rolle übernimmt und eine Umwandlung von H2S in Sulfat (SO42−) ermöglicht, so dass dieser Prozess die nötige Energie für das Zellwachstum bereitstellt. Dennoch waren bislang alle Versuche gescheitert, Mikroorganismen, die tatsächlich H2S mit Hilfe MnO2 oxidieren, aus der suboxischen Schicht des Schwarzen Meeres zu isolieren und zu kultivieren.

Jan Henkel aus der IOW-Arbeitsgruppe Geomikrobiologie und seinen Kolleg*innen gelang es nun erstmals, aus einer Wasserprobe, die 2013 während einer Schwarz-Meer-Expedition mit dem Forschungsschiff „Maria S. Merian“ in 105 Meter Wassertiefe der suboxischen Zone entnommen wurde, ein Bakterium zu isolieren, das genau die lange vermutete aber nie nachgewiesene Stoffwechselreaktion durchführt.

Genetische Untersuchungen ergaben, dass es zur Gattung Sulfurimonas gehört, die typischerweise mit hohen Zellzahlen in unmittelbarer Nachbarschaft von H2S-haltigen Umweltbedingungen auftritt. Sein nächster Verwandter ist das Bakterium Sulfurimonas gotlandica, das an der Grenze der sauerstofflosen Todeszonen der Ostsee das giftige H2S mit Hilfe von Nitrat oxidiert und daraus Energie gewinnt.

„Der neu isolierte Bakterienstamm wurde nach seinem Fundort ‚Sulfurimonas marisnigri‘ benannt, was so viel wie ‚Sulfurimonas aus dem Schwarzem Meer‘ bedeutet“, erklärt Jan Henkel die Namensgebung für seine neu entdeckten Labor-‚Haustiere‘. „Es ist faszinierend für mich, dass nach 30 Jahren erfolgloser Suche mit ein wenig Glück genau dort diese speziellen Bakterien gefunden werden konnten, wo Forschende sie schon vor meiner Geburt vermutet haben“, so der Nachwuchswissenschaftler weiter.

S. marisnigri habe sich hochspezifisch an die für höhere Organismen lebensfeindlichen Bedingungen nahe der Schwarz-Meer-Todeszone angepasst und dort eine sehr ergiebige Energiequelle erschlossen, die niemand anderes nutzt, erläutert Henkel. „Bislang ist jedenfalls kein weiteres Bakterium bekannt, das in Abwesenheit von Sauerstoff, Nitrat oder Licht H2S oxidieren kann.

Im Vergleich zu anderen Mangan-reduzierenden Bakterien, die auf organische Verbindungen angewiesen sind, haben wir es zudem mit einem möglicherweise völlig unbekannten System der Elektronenübertragung zu tun.“ Dieses genauer zu erforschen, sei nun das Ziel der kommenden Untersuchungen, damit die ungeheure Effizienz, mit der diese Bakterien H2S oxidieren, besser verstanden werden kann.

„Wir haben es hier möglicherweise mit einem ökologischen Schlüsselmetabolismus zu tun, der wesentlich zum Aufbau der suboxischen Zone und zur Entgiftung von H2S im Schwarzen Meer beiträgt, so dass es für höhere Lebewesen bewohnbar bleibt“, so Henkel abschließend.

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Jan V. Henkel, Olaf Dellwig, Falk Pollehne, Daniel P. R. Herlemann, Thomas Leipe, Heide N. Schulz-Vogt (2019): A bacterial isolate from the Black Sea oxidizes sulphide with manganese(IV) oxide. *Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), https://doi.org/10.1073/pnas.1906000116

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