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Der Klimawandel, eine Todeszone und erstaunliche Bakterien
Es ist ganz normal, dass Bakterien in Sauerstoffminimumzonen Stickstoff verbrauchen. Doch mit dem fortschreitenden Klimawandel schwellen die OMZs immer weiter an. Dadurch steigt auch der Stickstoffverbrauch. Deswegen rückt er und seine möglichen Folgen für die weltweite Umwelt ins Interesse der Forschung.
Nun hat ein internationales Forscherteam unter Leitung des Georgia Institute of Technology (USA) Mitglieder einer äußerst produktiven Bakteriengruppe namens SAR11 entdeckt, die in der größten OMZ der Welt lebt. Die Forscher liefern eindeutige Belege, dass diese Bakterien eine bedeutende Rolle bei der Denitrifikation, also der Umwandlung des im Nitrat gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff und Stickoxiden, spielen.
„Unsere Ergebnisse sind wirklich spannend und verändern unser Verständnis der großen biogeochemischen Stoffkreisläufe im Meer“, sagt Mitautorin Laura Bristow vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologe in Bremen. „Außerdem werfen sie ein neues Licht auf die mikrobielle Vielfalt und Evolution.“
7 Fragen, 7 Antworten
Die neu entdeckten Bakterien beeinflussen den globalen Nährstoffhaushalt und die Treibhausgasbilanz. Die Studie, die am 3. August 2016 im Fachmagazin Nature erscheint, enthält Genom- und Enzymanalysen, die den Weg für zukünftige Untersuchungen des Kohlenstoff- und Stickstoffkreislaufs in OMZs ebnen. Im Folgenden stehen Fragen und Antworten, die die vorliegenden Ergebnisse und ihre Bedeutung beleuchten.
(1) Warum ist Denitrifikation wichtig?
Schmelzende Polkappen und sterbende Eisbären beherrschen die Schlagzeilen. Aber der Klimawandel hat auch noch ganz andere Folgen für die Meere, beispielsweise deren Erwärmung und Versauerung, aber auch den Rückgang von Sauerstoff und Stickstoff.
Im Falle des Stickstoffs: Jeder, der schon einmal einen Sack Dünger in der Hand hatte, weiß, dass Stickstoff ein wichtiger Baustein des Lebens ist. „Es ist ein Hauptnährstoff“, sagt Frank Stewart, Leiter der Studie und Assistenzprofessor an der School of Biological Sciences des Georgia Institute of Technology. “Alle Zellen nutzen Stickstoff in Eiweißen und DNA.”
Ohne Stickstoff können Algen und andere Organismen kaum oder gar nicht wachsen und überleben. Doch damit nicht genug. Algen nehmen Kohlendioxid (CO2) auf. Wenn es weniger Algen gibt, bleibt also mehr von dem Treibhausgas in der Atmosphäre. Es ist noch nicht geklärt, wie massiv sich dieser Verlust der CO2-Aufnahme in der globalen Bilanz auswirkt.
(2) Wie verbrauchen die neu entdeckten Bakterien den Stickstoff?
In den OMZs, in denen kein Sauerstoff vorhanden ist, veratmen die nun entdeckten Stämme von SAR11 (und einige andere Bakterien auch) stattdessen Nitrat. Damit setzen sie eine chemische Kettenreaktion in Gang, an deren Ende der Stickstoff aus dem Meer verschwunden ist, berichten die Forscher.
“Sie nehmen das Nitrat (NO3) und wandeln es in Nitrit (NO2) um, das in weiterer Folge in gasförmigen Stickstoff umgebaut werden kann”, erklärt Stewart. Es entstehen elementarer Stickstoff (N2) und Stickstoffoxid (N2O). “Diese Verbindungen können beide aus dem Meer herausprudeln und das System so verlassen.” Dadurch werden die Sauerstoffwüsten noch unwirtlichere Lebensräume, während gleichzeitig mehr Stickstoff und Stickstoffoxid – das ein wichtiges Treibhausgas ist - in die Luft gelangt.
Die hier vorgestellten Bakterien der SAR11-Klade (eine Klade ist ein Zweig einer Art von Lebewesen) stellen augenscheinlich den größten Teil der Bakterien in OMZs. “Unsere Ergebnisse zeigen erstmalig, dass es eine sauerstofffreie Nische für die häufigsten Bakterien der Welt gibt”, so Laura Bristow. Dadurch spielen sie eine Schlüsselrolle beim Stickstoffverlust.
(3) Meeresbereiche ohne Sauerstoff? Klingt schlimm. Liegt das am Klimawandel?
Nein. Sauerstoffminimumzonen (OMZs) treten natürlich auf. Durch die globale Erwärmung werden sie aber immer größer.
OMZs bilden sich hauptsächlich in den Tropen. Wenn der Wind entlang der Küsten das Oberflächenwasser aufs offene Meere hinausbläst, kann Wasser aus tieferen Regionen an die Oberfläche strömen. Dieses Tiefenwasser ist voller Nährstoffe und kurbelt das Wachstum einfacher Lebewesen wie Algen kräftig an.
“Irgendwann sterben die Algen und sinken langsam ab“, sagt Stewart. “Bakterien fressen an ihnen herum und verbrauchen dabei Sauerstoff.“ Aber es sind so viele Algen, dass die Bakterien den Sauerstoff in atemberaubender Geschwindigkeit verbrauchen, bis keiner mehr im Wasser übrig ist.
Zudem führt die globale Erwärmung zu einem Ausbreiten der OMZs, weil wärmeres Wasser weniger Sauerstoff aufnehmen kann. Wenn sich die OMZs ausbreiten, steigt auch die Wahrscheinlichkeit der Denitrifikation. Dadurch verschiebt sich das globale Gleichgewicht von Stickstoff, den Nährstoffen und Treibhausgasen.
Despina Tsementzi, Jieying Wu, Luis M. Rodriguez-R, Andrew S. Burns, Piyush Ranjan, Cory C. Padilla, Neha Sarode, Jennifer B. Glass und Konstantinos T. Konstantinidis vom Georgia Tech; Samuel Deutsch, Sangeeta Nath, Rex R. Malmstrom und Tanja Woyke vom U.S. Department of Energy; Benjamin K. Stone vom Bowdoin College; Laura A. Bristow vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie; Bo Thamdrup und Morten Larsen von der University of Southern Denmark.
Die Studie wurde der US-amerikanischen National Science Foundation, dem NASA Exobiology Program, der Sloan Foundation und dem U.S. Department of Energy finanziert. Alle Meinungen, Ergebnisse und Schlussfolgerungen sind jene der Autoren und nicht notwendigerweise der fördernden Institutionen.
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Dr. Laura Bristow
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oder die Pressestelle
Dr. Fanni Aspetsberger
Dr. Manfred Schlösser
+49 421 2028 947
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Die beiden haben nichts miteinander zu tun.
SARS wird durch einen Virus verursacht und kann tödlich enden. SAR11-Bakterien sind harmlos für den Menschen. Vielleicht müssten wir ohne sie sogar verhungern. Denn sie sitzen an der Basis der marinen Nahrungskette, die für die weltweite Lebensmittelversorgung sehr wichtig ist. “Nachdem sie sogenanntes gelöstes organisches Material (totes Zeug) gegessen haben, werden die Bakterien von größeren Zellen gefressen, die dann wiederum größerem Plankton zum Opfer fallen, und immer so weiter die Nahrungskette hinauf”, erklärt Stewart.
Die bisher bekannten SAR11-Stämme sind im Ozean sehr weit verbreitet. Vielleicht sind sie sogar der häufigste Organismus auf der ganzen Welt. Da erstaunt es, dass diese Bakterien trotzdem nicht allgemein bekannt sind.
Unter dem Mikroskop sehen alle SAR11-Bakteria ziemlich gleich aus. “Üblicherweise sind es kleine und kurze, leicht gebogene Stäbchen“, so Stewart. Alle bislang bekannten SAR11-Stämme brauchen Sauerstoff zum Leben. Umso größer die Überraschung, als die Forscher nun feststellten, dass die neu entdeckten Stämme Nitrat veratmen.
(5) Woher haben die Forscher diese neuen, nitratatmenden SAR11-Stämme?
Vier Tage lang waren Stewart und seine Kollegen mit einem Forschungsschiff aus San Diego, Kalifornien, unterwegs. Sie segelten in ein Gebiet vor der Pazifikküste des mexikanischen Bundesstaates Calimo. Dort beprobten sie das Wasser in 1000 Meter Tiefe in der weltgrößten Sauerstoffminimumzone mit Hilfe eines sogenannten Kranzwasserschöpfers - einem Karussell aus länglichen, etwa 1,2 Meter langen Plastikbehältern. “Diese Behälter sind oben und unten geöffnet”, erklärt Stewart. “Man senkt sie ab ins Wasser, und wenn sie die gewünschte Tiefe erreicht haben, schließt man beide Öffnungen und hat eine Wasserprobe aus eben dieser Tiefe.”
Die neu entdeckten Bakterien haben zwar noch keinen Namen, die Analyse ihrer Genome in dieser Studie deutet aber klar darauf hin, dass sie zur SAR11-Klade gehören.
(6) Warum ist diese Entdeckung wichtig?
Weil sie eine berechtigte wissenschaftliche Debatte aufmischt.
Viele Wissenschaftler gingen davon aus, dass SAR11 unter den rauen Bedingungen einer OMZ nicht gedeihen kann. Denn SAR11 hat den Ruf, nicht besonders anpassungsfähig zu sein. “Wenn sie ihr Genom mal verändern, dann üblicherweise nur in sehr geringem Rahmen“, so Stewart. Im Gegensatz dazu bauen viele andere Bakterien recht freizügig große Stücke DNA ein oder aus, was sie sehr anpassungsfähig macht. Zudem wurden zwar in früheren Studien schon SAR11-Gene in OMZs entdeckt, doch niemand dachte, dass diese Bakterien dort zu Hause wären.
All diese Tatsachen schufen eine schwere Beweislast für Stewart und sein Team.
(7) Wie haben die Wissenschaftler die Zweifel ausgeräumt?
Zunächst isolierten sie die Genome von 15 einzelnen neuen Bakterienstämmen, die sie als intakte Einzelzellen gesammelt hatten. Überraschenderweise fanden Stewart und seine Kollegen darin die Blaupausen für ein Enzym, die Nitratreduktase. Sie erlaubt es den Bakterien, Nitrat anstelle von Sauerstoff zu veratmen.
Da die neuartigen Bakterien bisher noch nicht im Labor gezüchtet wurden, pflanzten die Forscher ihre Nitratreduktase-Gensequenzen in E. coli-Bakterien ein. So wollten sie sehen, ob die DNA zur Herstellung des Enzyms genutzt wird, und ob das Enzym dann auch funktioniert.
Es funktionierte.
“Es ist nicht üblich bei solchen genombasierten Untersuchungen, diesen zusätzlichen Schritt der Überprüfung zu gehen“, sagt Stewart mit einem Seufzer. Aber es hat alle Zweifel beseitigt.
Die umfassende, nun vorliegende Studie liefert einen entscheidenden Datensatz, von dem aus weiter geforscht werden kann. In weiterführenden Studien kann nun ergründet werden, welche Anpassungen es SAR11 erlauben, in den ungemütlichen OMZs zu leben.