Tiefseeforschung

Mikroben verarbeiten gelöste organische Stoffe nur ineffizient

Die Tiefsee als gigantischer Kohlenstoffspeicher spielt eine entscheidende Rolle beim Klimawandel. Experimente zur Verfügbarkeit von gelöstem organischem Material im Tiefenwasser des Atlantiks haben jetzt gezeigt, dass Tiefwassermikroben durchaus in der Lage sind, dieses organische Material zu nutzen – allerdings aufgrund der großen Verdünnung nicht effizient.

Das Forschungsschiff Pelagia. (Copyright: Adam Snow)

Ein internationales ForscherInnenteam unter Leitung von Gerhard J. Herndl von der Universität Wien publiziert dazu in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Science". Gerhard J. Herndl, Professor für Meeresbiologie an der Universität Wien und ausgezeichnet mit einem ERC Advanced Grant 2010 und dem Wittgenstein-Preis 2011, ist den Rätseln des in der Tiefsee vorherrschenden Kohlenstoffkreislaufes auf der Spur.

Der Ozean als Suppe an gelöstem organischem Kohlenstoff
Alle organischen Verbindungen, die von Organismen im Meer produziert werden, wie z.B. Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren etc., finden sich auch als gelöstes organisches Material im Meerwasser. Diese Moleküle werden durch Beweidung der Organismen des marinen Nahrungsnetzes freigesetzt.

Wasserproben aus der Tiefsee kommen an Bord des Forschungsschiffes Pelagia. (Foto: Alexander Bochdansky)

Die Gesamtmenge des im Ozean gelösten organischen Kohlenstoffs entspricht etwa der Menge an Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid in der Atmosphäre. Das bedeutet, dass der Ozean ein riesiges organisches Kohlenstoffreservoir darstellt. Der gelöste organische Kohlenstoff des Meeres kann ausschließlich von Mikroorganismen umgesetzt werden.

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Der gelöste organische Kohlenstoff des Meeres wird in den Oberflächengewässern effizient von sogenannten heterotrophen Mikroorganismen – hauptsächlich von rund einer Million Bakterien pro Kubikzentimeter Meerwasser – umgewandelt und in Bakterienzellen eingebaut oder veratmet und als Kohlendioxid in das Umgebungswasser abgegeben. In der Tiefsee hingegen ist dieser gelöste organische Kohlenstoff ca. 4000 bis 6000 Jahre alt. Aufgrund des enormen Alters der gelösten organischen Moleküle in der Tiefsee wurde bisher angenommen, dass diese für die dort lebenden Mikroben nicht verfügbar sind. Es wurde vermutet, dass es die Modifikation der Molekülstruktur für Mikroben der Tiefsee unmöglich macht, diese Moleküle effizient zu verwerten.

Diversität gelöster organischer Moleküle in der Tiefsee
In Experimenten, in denen gelöstes organisches Material aus dem Wasser aus 2000 bis 5000m Tiefe des Atlantiks aufkonzentriert wurde, konnten Herndl und sein Team nun zeigen, dass Tiefwassermikroben durchaus in der Lage sind, dieses organische Material effizient zu nutzen. „Die hohe Diversität der gelösten organischen Moleküle in der Tiefsee und deren große Verdünnung ist der Grund, warum Tiefseemikroben diese Moleküle nicht effizienter nutzen können", erklärt Gerhard Herndl.

ERC-Preisträger und Meeresbiologe Gerhard J. Herndl. (Copyright: Thomas Griessler)

Die Diversität der gelösten organischen Moleküle wurde mit einem speziellen Instrument, dem „Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR-MS)", gemessen. Tausende von organischen Verbindungen konnten mit dieser Methode in der Tiefsee nachgewiesen werden. Berechnungen ergaben, dass in der Tiefsee eine Bakterienzelle aufgrund der geringen Konzentration der Moleküle und der großen Molekülvielfalt nur etwa alle 15 Sekunden bis 12 Minuten auf ein gleiches organisches Molekül trifft. „Unsere conclusio lautet also: Die gelösten organischen Moleküle sind zu stark verdünnt, als dass sie von den Mikroben effizient genutzt werden können", so Herndl: „Diese Erkenntnisse stellen auch die vielfach diskutierte Strategie des Geo-Engineering in Frage, durch Speicherung von gelöstem organischem Kohlenstoff in der Tiefsee dem Anstieg des Kohlendioxid in der Atmosphäre entgegenzuwirken."

Die aktuellen Forschungsergebnisse sind Resultat einer im Rahmen einer ERC-finanzierten Forschungsfahrt im Sommer 2012 an Bord des Forschungsschiffes Pelagia. Gegenwärtig bereiten sich Mitarbeiter von Gerhard J. Herndl auf eine Forschungsfahrt vor Hawaii im Pazifik vor, um den Einfluss von den in der Tiefsee herrschenden Druckverhältnissen auf die mikrobielle Aktivität in der Tiefsee zu studieren. Finanziert werden Herndls Forschungen über einen ERC Advanced Grant sowie einen Wittgenstein-Preis des FWF.

Publikation:
Jesus M. Arrieta, Eva Mayol, Roberta L. Hansman, Gerhard J. Herndl, Thorsten Dittmar, Carlos M. Duarte: Dilution limits dissolved organic carbon utilization in the deep ocean. In: Science, 20.3.2015. DOI: 10.1126/science.1258955.

Wissenschaftlicher Kontakt:
Univ.-Prof. Dr. Gerhard J. Herndl
Department für Limnologie und Bio-Ozeanographie
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14 (UZA I)
gerhard.herndl@univie.ac.at

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