Einen Beitrag dazu leisten Forschende des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und des Geomar Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel. In einer aktuellen Studie haben sie sich insbesondere mit den bakteriellen Metagenomen der Plastisphäre beschäftigt. Ihr Ergebnis, veröffentlicht in Environmental Pollution, fällt deutlich aus: Die Genome der Mikroorganismen auf Plastikpartikeln sind größer und enthalten mehr Kopien funktioneller Gene als jene des freien Meeresplanktons. Diese genetische Ausstattung ermöglicht es ihnen offenbar, unter den extremen Bedingungen der offenen Ozeane zu überleben.

Die Dimension des untersuchten Habitats ist dabei kaum zu überschätzen. Billionen langlebiger Plastikpartikel treiben in den Weltmeeren und konzentrieren sich in großräumigen Strömungssystemen, den sogenannten Garbage Patches. Zwei dieser ozeanischen Müllwirbel standen 2019 im Zentrum der Forschung: Im Rahmen des Projektes "Micro-Fate" untersuchten UFZ-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler den nordpazifischen Müllstrudel an Bord des Forschungsschiffs "Sonne" zwischen Singapur und Kanada. Parallel dazu analysierte das Geomar-Team im Projekt "Plastisea" den nordatlantischen Müllstrudel südwestlich der Azoren auf dem Forschungsschiff "Poseidon".

„Taxonomisch ist die Plastisphäre gut untersucht. Weniger bekannt sind dagegen die funktionellen Strategien, die es den Mikroorganismen im Biofilm ermöglichen, unter den extremen Bedingungen einer nährstoffarmen Umgebung und einer hohen UV-Belastung an der Oberfläche der offenen Ozeane zu überleben“, sagt UFZ-Hydrobiologin und Co-Autorin Dr. Mechthild Schmitt-Jansen.

Die Forschenden sammelten auf den Expeditionen Makroplastik direkt von der Meeresoberfläche und isolierten daraus die DNA der darauf siedelnden Lebensgemeinschaften. Mittels Metagenom-Sequenzierung – der Analyse sämtlicher genetischer Information eines mikrobiellen Kollektivs – verglichen sie die Plastisphäre aus Atlantik und Pazifik mit dem frei schwebenden Plankton.

Im Zentrum standen sogenannte funktionelle Gene, also jene DNA-Abschnitte, die grundlegende biologische Prozesse ermöglichen. „Funktionelle Gene enthalten genetische Informationen, dank derer Mikroben beispielsweise Proteine herstellen, Stoffwechselprozesse steuern, Zellstrukturen aufbauen oder Signalprozesse in der Zelle regulieren können“, sagt Geomar-Mikrobiologe und Co-Autor Dr. Erik Borchert.

Die Auswertung von rund 340 solcher Gene zeigte deutliche Unterschiede zwischen den Lebensgemeinschaften. Die Plastisphäre unterscheidet sich demnach nicht nur strukturell, sondern auch funktionell klar vom freien Plankton. Besonders auffällig ist die Vielzahl zusätzlicher Genkopien, die den Mikroorganismen offenbar adaptive Vorteile verschaffen.

„Die Mikroorganismen im Biofilm haben mehr Genkopien, um Nährstoffe effektiv aufzunehmen, Kohlenstoff zu nutzen und abzubauen und UV-Strahlung durch effektive Mechanismen abzuwehren oder Schäden am Genom schnell zu reparieren“, sagt UFZ-Biologe und Erstautor Dr. Stefan Lips. Darüber hinaus seien sie in der Lage, alternative Energiequellen zu erschließen, etwa durch anoxygene Photosynthese, bei der kein Sauerstoff entsteht.

Auch taxonomisch zeigt sich ein ambivalentes Bild: Während sich die konkrete Artenzusammensetzung der Bakterien zwischen Atlantik und Pazifik unterscheidet, bleiben die funktionell relevanten Gruppen überraschend konstant. Funktion scheint hier wichtiger zu sein als Herkunft.

Ein weiterer zentraler Befund betrifft die Genomgröße. Anders als das freilebende Meeresplankton, das sich evolutionär stark an die nährstoffarme Umwelt angepasst und seine Genome reduziert hat, verfügen die Mikroorganismen der Plastisphäre über deutlich größere Genome. Der Grund liegt offenbar in der besonderen Lebensweise auf Plastikoberflächen: Dort profitieren die Mikroben von gemeinsamen Stoffwechselprozessen innerhalb des Biofilms und damit von einer vergleichsweise besseren Nährstoffverfügbarkeit.

Hinzu kommt ein weiteres Detail: Im Biofilm wurden erhöhte Chlorophyll-Konzentrationen gemessen. „Dies zeigt, dass die Mikroben der Plastisphäre das Potenzial haben, relativ gesehen zum umgebenden Plankton mehr Biomasse zu produzieren“, erklärt Mechthild Schmitt-Jansen. „Dadurch bilden sich eutrophe Nischen in der nährstoffarmen Wüste der offenen Ozeane.“

Die Plastisphäre erscheint damit als ein eigenes, funktional hoch angepasstes Ökosystem innerhalb der Ozeane – eines, das sich gerade dort etabliert, wo eigentlich extreme Nährstoffarmut herrscht. Für die Meeresforschung ist das zugleich ein Warnsignal. „Das ist für die Ozeane kein gutes Zeichen, weil nur ihr ursprünglicher, natürlicher Zustand als gesund gilt – und jede Abweichung davon als Verschlechterung“, sagt Stefan Lips.

Welche langfristigen Folgen der Plastikbewuchs für biogeochemische Prozesse der Ozeane hat, bleibt bislang offen. Ebenso unklar ist, ob er das empfindliche Gleichgewicht dieser Systeme verändert. Sicher ist nach Einschätzung der Forschenden jedoch eines: „Da die Mikroben Plastik vor allem als Lebensraum und weniger als Nährstoffquelle nutzen, ist es auch nicht zu erwarten, dass sie das Plastik in den Ozeanen beseitigen“, ergänzt Erik Borchert. Daraus leitet sich eine klare Konsequenz ab: die Notwendigkeit, die Plastikverschmutzung selbst zu stoppen, bevor sich neue, dauerhaft veränderte Lebensräume im Ozean etablieren.

Die Studie entstand in Kooperation von UFZ und Geomar im Rahmen der InnoPool-Projekte "P-LEACH" und "AI MareExplore". Gefördert wurde sie durch die Helmholtz-Gemeinschaft sowie durch die BMFTR-Projekte Micro-Fate und Plastisea.

Originalpublikation:
Stefan Lips, Mechthild Schmitt-Jansen, Erik Borchert: Metagenomic analyses of the plastisphere reveals a common functional potential across oceans. Environmental Pollution, 395, 127830 (2026). DOI:10.1016/j.envpol.2026.127830

Quelle: Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ)