Studie zu umweltrelevanten Mikroorganismen

Barbara Schick,

Größere Vielfalt als bisher angenommen

Forschende des Leibniz-Instituts DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH und der Technischen Universität Braunschweig haben in Zusammenarbeit mit der Universität Wien und der University of Wisconsin, USA, eine umfangreiche Studie zu Mikroorganismen in der Umwelt durchgeführt. Sie zeigen, dass es in der Natur eine äußerst hohe Biodiversität an umweltrelevanten Mikroorganismen gibt. Eine Vielfalt, die das bisher Bekannte mindestens um das 4,5-Fache übersteigt.

Zahlreiche klimarelevante Prozesse werden von Mikroorganismen beeinflusst, und das mit einer unglaublichen Artenvielfalt innerhalb der Gruppen der Bakterien und Archaea ("Urbakterien"). So setzen z. B. Sulfat-reduzierende Mikroorganismen ein Drittel des organischen Kohlenstoffs in marinen Sedimenten zu Kohlendioxid um. Dabei entsteht (toxischer) Schwefelwasserstoff, der direkt durch schwefeloxidierende Mikroorganismen als Energiequelle genutzt und so rasch unschädlich gemacht wird. In einer Studie konnte der Stoffwechsel eine Art dieser Mikroorganismen näher beleuchtet werden und brachte eine bisher unerreichte Multifunktionalität zu Tage. "Auch in Seen, Mooren und sogar im menschlichen Darm spielen diese Prozesse eine große Rolle, um Natur und Gesundheit im Gleichgewicht zu halten", sagt Prof. Dr. Michael Pester, Leiter der Abteilung Mikroorganismen des Leibniz-Instituts DSMZ und Professor am Institut für Mikrobiologie der TU Braunschweig.

Anzeige
Dr. Stefan Dyskma (links) und Prof. Dr. Michael Pester vom Leibniz-Institut DSMZ neben einem Bioreaktor, in dem sulfatreduzierende Mikroorganismen untersucht wurden. © DSMZ

Mikroorganismen stabilisieren Ökosysteme

Der Schwefelkreislauf ist einer der bedeutendsten und ältesten biogeochemischen Kreisläufe des Planeten Erde. Er ist gleichzeitig eng mit dem Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf verzahnt, was seine Bedeutung unterstreicht. Angetrieben wird er hauptsächlich durch Sulfat-reduzierende und Schwefel-oxidierende Mikroorganismen. Auf einer globalen Skala setzen "Sulfatreduzierer" durch ihre Aktivitäten rund ein Drittel an organischem Kohlenstoff um, der jährlich den Ozeanboden erreicht. Schwefeloxidierer konsumieren im Gegenzug rund ein Viertel des Sauerstoffs in marinen Sedimenten. Wenn diese Ökosysteme aus dem Gleichgewicht geraten, können die Aktivitäten dieser Mikroorganismen rasch zur Sauerstoffzehrung und Akkumulation von toxischem Schwefelwasserstoff führen. Dadurch bilden sich sogenannte Todeszonen, in denen Tiere und Pflanzen nicht mehr überleben können, was nachteilige Folgen für Ökologie und z. B. auch für die Fischerei nach sich zieht. Daher ist es wichtig zu verstehen, welche Mikroorganismen den Schwefelkreislauf im Gleichgewicht halten und wie sie das tun. Die publizierten Ergebnisse zeigen, dass die Artenvielfalt der Sulfat-reduzierenden Mikroorganismen sich über mindestens 27 Phyla (Stämme) erstreckt. Bisher waren Vertreter aus nur sechs Phyla bekannt. (Zum Vergleich: Im Tierreich sind derzeit 40 Phyla bekannt, wobei die Wirbeltiere nur einem Phylum, den Chordata, angehören.)

Schematische Darstellung des Abbaus von pflanzlichem Pektin sowohl durch Sulfatreduktion als auch durch Atmung mit Sauerstoff bei einem neu entdeckten Acidobakterium. © DSMZ

"Multifunktionale" Bakterienart

Einen Vertreter dieser neuartigen "Sulfatreduzierer" konnten die Wissenschaftler dem bisher wenig erforschten Bakterien-Phylum der Acidobakterien zuordnen und in einem Bioreaktor untersuchen. Mit Hilfe moderner Methoden aus der Umweltmikrobiologie konnten sie nachweisen, dass diese Bakterien sowohl aus der Sulfatreduktion sowie aus der Atmung mit Sauerstoff Energie ziehen können. Diese zwei Stoffwechselwege schließen sich in allen bisher bekannten Mikroorganismen eigentlich aus. Gleichzeitig konnten die Forschenden belegen, dass die sulfatreduzierenden Acidobakterien komplexe pflanzliche Kohlenhydrate wie Pektin abbauen können – auch das ist eine Eigenschaft, die für "Sulfatreduzierer" bisher unbekannt war. Mit dieser Entdeckung stellen die Forschenden nach Angaben des Leibniz-Instuituts DSMZ auch Lehrbuchwissen auf den Kopf. Sie zeigen, dass komplexe Pflanzenbestandteile unter Sauerstoffausschluss nicht – wie bisher gedacht – nur durch ein koordiniertes Zusammenspiel verschiedener Mikroorganismen abgebaut werden können, sondern auch über einen abgekürzten Weg durch eine einzige Bakterienart. Auch neu ist die Erkenntnis, dass diese Bakterien dazu sowohl Sulfat als auch Sauerstoff nutzen können. Was diese Erkenntnisse im Zusammenspiel des Kohlenstoff- und Schwefelkreislaufs bedeuten und wie sie mit klimarelevanten Prozessen verzahnt sind, das untersuchen die Forschenden der DSMZ und der TU Braunschweig derzeit.

Publikationen:
Dyksma, S., Pester, M.: Oxygen respiration and polysaccharide degradation by a sulfate-reducing acidobacterium. Nat Commun 14, 6337 (2023); https://doi.org/10.1038/s41467-023-42074-z Muhe Diao, Stefan Dyksma, Elif Koeksoy, David Kamanda Ngugi, Karthik Anantharaman, Alexander Loy, Michael Pester: Global diversity and inferred ecophysiology of microorganisms with the potential for dissimilatory sulfate/sulfite reduction, FEMS Microbiology Reviews, Volume 47, Issue 5, September 2023; https://doi.org/10.1093/femsre/fuad058

Quellen: Leibniz-Institut DSMZ und TU Braunschweig

Anzeige
Jetzt Newsletter abonnieren

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige