Marines Abfallmanagement: Effizientes Recycling durch marine Mikroorganismen

Das im Ozean vorkommende Ammonium beziehungsweise Ammoniak wird größtenteils während des Abbaus von organischer Biomasse gebildet. Ammonium stellt eine notwendige Nahrungs- und Energiequelle für sämtliche marine Lebensformen dar. Physiologische und biochemische Studien an Modellorganismen der Art Nitrosopumilus maritimus haben bereits gezeigt, dass marine Thaumarchaeen durch einzigartige Enzym- und Transportsysteme perfekt an die geringen Nährstoffbedingungen der Ozeane angepasst sind.

„Diese Anpassungen machen die Ammoniak-oxidierenden Thaumarchaeen zum wohl besten Energieverwerter der Ozeane, in denen sie ihre bakteriellen Gegenspieler übertrumpfen und ihre eigene ökologische Nische bilden“, sagt Travis Meador. „Man vermutet, dass der Großteil an organischem Stickstoff, der in die dunklen Bereiche des Ozeans transportiert wird, durch Thaumarchaeen unter Verbrauch von Sauerstoff in Nitrat umgewandelt wird. Wie diese Kreisläufe funktionieren, wird seit Jahrzehnten untersucht. Mit der aktuellen Studie konnten wir jetzt zum ersten Mal die Verknüpfung der Nitrifizierung mit globalen Kohlenstofffixierungsraten darstellen.“ Unter Kohlenstofffixierung versteht man den Umwandlungsprozess von anorganischem Kohlenstoff in organische Verbindungen durch lebende Organismen.

In der dunklen Tiefsee haben Thaumarchaeen eine wichtige Funktion innerhalb der chemischen Stoffflüsse inne. Es gibt aber zahlreiche Belege dafür, dass sie sogar häufiger in der lichtdurchfluteten Zone der Ozeane vorkommen. In diesen Bereichen wird bereits ein Großteil der sinkenden Biomasse der Photosynthese betreibenden Organismen abgebaut und dementsprechend viel Ammoniak produziert. Dort schwankt aber auch die Konzentration eines weiteren Schlüsselnährstoffs stark: des Phosphats. In der neuen Studie diskutieren die Wissenschaftler darum, ob also tatsächlich das verfügbare Phosphat als essentieller Nährstoff die Aktivität und somit das effiziente Recycling der Thaumarchaeen kontrolliert.

Aus der Studie geht außerdem hervor, dass diese marinen Archaeen einen Teil ihrer organischen Syntheseprodukte als gelöste organische Substrate ausscheiden. „Die Menge ist zwar relativ gering im Vergleich zum riesigen Reservoir des Ozeans, aber es ist hier leichter zugänglich“, erklärt Meador. Die hier beschriebenen Stoffwechsel-Leistungen von marinen Archaeen können nun in mathematische Modelle eingerechnet werden, um die Nährstoffkreisläufe des Ozeans besser zu verstehen und die unterschiedlichen Nitrifikationsraten innerhalb der Ozeane zu erklären.

Travis B. Meador, Niels Schoffelen, Timothy G. Ferdelman, Osmond Rebello, Alexander  Khachikyan, Martin Könneke: Carbon recycling efficiency and phosphate turnover by marine nitrifying archaea. Science Advances 2020.

DOI: 10.1126/sciadv.aba1799

• MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften und Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen
• Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen