Biogeochemische Kreisläufe und die Rolle von Mikroben

Biogeochemische Kreisläufe beschreiben die Prozesse, bei denen Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und Eisen durch Reduktions- und Oxidationsreaktionen (Redoxreaktionen) umgewandelt werden. Diese Stoffe zirkulieren zwischen Atmosphäre, Wasser, Boden, Gestein und Lebewesen und beeinflussen dabei direkt das Erdklima – etwa durch die Regulierung von Treibhausgasen.

Eine Schlüsselrolle übernehmen dabei Mikroorganismen. Sie nutzen Schwefel- oder Eisenverbindungen für ihre Atmung, ähnlich wie Menschen Sauerstoff. Besonders in sauerstoffarmen Umgebungen, etwa am Meeresboden oder in Feuchtgebieten, sind diese Verbindungen essenziell. Wenn Mikroben Schwefelverbindungen verstoffwechseln, verändern sie oft gleichzeitig die Form von Eisen – und umgekehrt. Diese Kopplung der Kreisläufe beeinflusst sowohl die Verfügbarkeit von Nährstoffen als auch die Produktion oder den Abbau von Treibhausgasen wie Kohlendioxid oder Methan.

Eisenmineralien als „Atemhilfe“

In sauerstofffreien Ökosystemen wie Meeressedimenten und Feuchtgebieten entsteht durch spezialisierte Mikroben Schwefelwasserstoff – ein giftiges Gas mit dem typischen Geruch nach faulen Eiern. Normalerweise reagiert dieses Sulfid chemisch mit Eisen(III)-Oxid-Mineralien wie Rost und bildet dabei elementaren Schwefel und Eisenmonosulfid (FeS), das für die schwarze Färbung von Strandsedimenten verantwortlich ist.

Doch die Wiener Forscher*innen konnten zeigen, dass auch Mikroorganismen diese Reaktion antreiben.

„Wir zeigen, dass diese umweltrelevante Redoxreaktion nicht nur chemisch abläuft“, erklärt Alexander Loy, Forschungsgruppenleiter am CeMESS – dem Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Universität Wien: „Auch Mikroorganismen können die Reaktion für ihr Wachstum nutzen.“

Der neu entdeckte Energiestoffwechsel – MISO genannt – koppelt die Reduktion von Eisen(III)-Oxid mit der Oxidation von Sulfid. Im Gegensatz zur rein chemischen Reaktion entsteht dabei direkt Sulfat. „MISO-Bakterien entfernen das giftige Sulfid und verhindern damit möglicherweise die Ausbreitung von sogenannten 'Todeszonen' in Gewässern; gleichzeitig fixieren sie CO2 für ihr Wachstum – genauso wie Pflanzen“, ergänzt Senior Scientist Marc Mussmann.

Schneller als die Chemie

In Wachstumsversuchen mit einem kultivierten MISO-Bakterium zeigte sich, dass die biologische Reaktion sogar schneller abläuft als die entsprechende chemische. Damit sind Mikroben offenbar die eigentlichen Hauptakteure dieses Prozesses in der Natur.

„Verschiedene Bakterien und Archaeen besitzen die genetische Fähigkeit für MISO“, erklärt Song-Can Chen, Hauptautor der Studie, „und sie kommen in einer Vielzahl natürlicher und vom Menschen geschaffener Umgebungen vor.“ In marinen Sedimenten könnte MISO bis zu 7 % der globalen Sulfidoxidation zu Sulfat ausmachen – unterstützt durch den stetigen Zustrom reaktiven Eisens aus Flüssen und schmelzenden Gletschern in die Ozeane.

Bedeutung für globale Stoffkreisläufe

Die Ergebnisse, die im Rahmen des Exzellenzclusters Microbiomes drive Planetary Health des österreichischen Wissenschaftsfonds FWF entstanden, zeigen eindrucksvoll die Rolle der Mikroorganismen in den großen Stoffkreisläufen der Erde.

„Diese Entdeckung zeigt eindrucksvoll, wie vielseitig Mikroorganismen sind, und hebt ihre essenzielle Rolle in den globalen Stoffkreisläufen hervor“, so Alexander Loy abschließend.

Originalpublikation:
Chen, S.-C., Li, X.-M., Battisti, N., Guan, G., Montoya, M. A., Osvatic, J., Pjevac, P., Pollak, S., Richter, A., Schintlmeister, A., Wanek, W., Mussmann, M., & Loy, A. (2025). Microbial iron oxide respiration coupled to sulfide oxidation. Nature. Advance online publication. DOI:10.1038/s41586-025-1234-5

Quelle: Universität Wien