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Tiefseemuscheln und -schwämme gedeihen auf Öl: Des einen Freud, des anderen Leid

19.06.2017

Wissenschaftler aus Bremen und den USA haben Meerestiere entdeckt, die in Symbiose mit Bakterien leben, welche Öl als Energiequelle verwenden. In der Tiefsee im Golf von Mexiko gibt es Vulkane, die Öl und Asphalt speien. Dort leben Muscheln und Schwämme in Symbiose mit Bakterien, die ihnen Nahrung liefern. Diese Symbionten ernähren sich von kurzkettigen Alkanen aus dem Öl. Die Forscher entdeckten zudem, dass nah verwandte Bakterien diese Fähigkeit beim Abbau der Ölpest nach der Explosion der Ölbohrplattform Deepwater Horizon nutzten.

Gestank und Hitze, wenn ein neuer Straßenbelag aufgebracht wird; schwarze Klumpen am Strand, die an den Füßen kleben – Asphalt wirkt nicht wie ein gemütlicher Lebensraum. Dennoch kann er die Grundlage florierender Ökosysteme bilden - für Muscheln, Krebse, Würmer, Schwämme und viele andere Bewohner.

Asphaltvulkane voller Leben

In den Tiefen des Golfs von Mexiko tritt Öl und Asphalt aus dem Meeresboden und bildet bizarr anmutende Strukturen, die an erkaltete Lava erinnern – so genannte Asphaltvulkane. Vor fast 15 Jahren entdeckten Bremer und US-amerikanische Forscher diesen Lebensraum. Noch immer steckt er voller Überraschungen, wie eine nun in Nature Microbiology veröffentlichte Studie einer internationalen Forschergruppe um Maxim Rubin-Blum und Nicole Dubilier vom Bremer Max-Planck-Institut zeigt.

Symbiontische Bakterien verwenden eine neue Energie- und Kohlenstoffquelle

Die Campeche Knolls-Asphaltvulkane in etwa 3000 Metern Wassertiefe im Golf von Mexiko beheimaten eine diverse Lebensgemeinschaft. Doch wovon leben die Organismen? 

„Den Asphalt und das Öl, die aus dem Boden treten, können sie nicht fressen, und andere Nahrungsquellen sind in der Tiefsee rar“, erklärt Rubin-Blum. „Dar­um ha­ben sich ei­ni­ge von ih­nen mit Bak­te­ri­en zu­sam­men­ge­tan, die ih­nen aus der Pat­sche hel­fen: Die­se kön­nen aus dem Öl so­wohl En­er­gie als auch le­bens­wich­ti­gen Koh­len­stoff ge­win­nen.“ Sol­che Bak­te­ri­en ha­ben Mee­res­for­scher schon an an­de­ren öl-rei­chen Stand­or­ten ge­fun­den – al­ler­dings als frei­le­ben­de Mi­kro­or­ga­nis­men.

Der Tauchroboter MARUM-Quest sammelt Muscheln (Quelle: MARUM )
Der Tauchroboter MARUM-Quest sammelt Muscheln, die Cycloclasticus-Symbionten enthalten, und ölreiche Asphalte an einem Gasaustritt in 3000 Metern Meerestiefe ein. (MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)

Verwöhnte Ringbrecher

Diese ölfressenden Bakterien gehören zur Gruppe Cycloclasticus. Ihren Namen, der „Ringbrecher“ bedeutet, verdanken sie einer besonderen Fähigkeit: Sie können schwer abbaubare Ringstrukturen im Öl, so genannte PAHs (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe), knacken und verwerten. Das ist ein mühseliger Prozess, der viel Energie verschlingt.

Die symbiotischen Cycloclasticus, die die Bremer Forscher an den Asphaltvulkanen entdeckt haben, machen sich die Sache leichter. Sie haben sich auf leicht abbaubare Bestandteile des Öls spezialisiert - so genannte kurzkettige Alkane wie Butan, Ethan und Propan. „Die Ringe der PAHs können diese Mikroorganismen gar nicht mehr knacken“, erklärt Rubin-Blum. „Sie haben die dazu notwendigen Gene verloren.“ Solche Cycloclasticus-Bakterien, die rein auf kurzkettige Alkane setzen und keine PAH-Ringe mehr knacken können, kannte man bisher nicht.

Weil kurzkettige Alkane so leicht zu verwerten sind, konkurrieren viele Mikroorganismen darum. Wie können es sich die symbiotischen Bakterien erlauben, auf eine so heiß umkämpfte Nahrung zu setzen und ihre außergewöhnlichen Ringbrecher-Fähigkeiten zu vernachlässigen? Und das, obwohl sie in einem Lebensraum leben, der reich an PAH-Ringen ist?

„Wir vermuten, dass sie sich diesen ‚Luxus’ nur leisten können, weil sie sich bei Muscheln und Schwämmen als Symbionten eingemietet haben“, erläutert Mitautorin Nicole Dubilier vom Bremer Max-Planck-Institut. „Ihre Wirte filtern das umliegende Meerwasser und liefern ihnen dadurch kontinuierlich kurzkettige Alkane. So leben sie konkurrenzfrei an einem geschützten Standort und müssen nicht mit freilebenden Bakterien konkurrieren.“

“Das ist das ers­te Mal, dass wir eine Sym­bio­se auf Ba­sis kurz­ket­ti­ger Al­ka­ne fin­den”, fügt Ru­bin-Blum hin­zu. Die vor­lie­gen­de Stu­die er­wei­tert da­mit das Spek­trum an be­kann­ten Stof­fen, die che­mo­syn­the­ti­sche Sym­bio­sen an­trei­ben kön­nen.

Freilebende Verwandtschaft: Erst die Schmankerl, dann die zähen Happen

In einem weiteren Schritt verglichen Rubin-Blum, Dubilier und ihre Kollegen das Genom der symbiotischen Bakterien mit dem freilebender, nah verwandter Cycloclasticus-Arten. Diese traten im Golf von Mexiko nach der Deepwater Horizon-Ölkatastrophe in großen Zahlen auf. Tatsächlich konnte auch manche freilebende Art kurzkettige Alkane abbauen.

„Das war überraschend, denn bislang dachte man, Cycloclasticus können nur PAHs abbauen“, erklärt Dubilier. Kurzkettige Alkane sind vor allem unmittelbar nach einem Ölaustritt zu finden und werden schnell und von vielen Organismen abgebaut. Im Gegensatz zu den symbiotischen Bakterien sind die freilebenden aber weiterhin in der Lage, auch PAHs zu nutzen. „So bleiben sie flexibel. Sind die kurzkettigen Häppchen aufgebraucht, können sie immer noch die deutlich zäheren PAHs verwerten“, so Dubilier.

„Offensichtlich handelt es sich bei Cycloclasticus um eine Schlüsselfigur im marinen Ölabbau“, fügt Rubin-Blum hinzu. “Als nächstes wollen wir daher die Physiologie und den Stoffwechsel der symbiotischen und freilebenden Arten genau vergleichen, um so mehr über deren Beitrag zum Abbau von Kohlenwasserstoffen im Meer zu erfahren.”

 

Farbenfrohes Spiel der Symbiose - Quelle: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen
Farbenfrohes Spiel der Symbiose: Innerhalb von Zellen in den Kiemen von Bathymodiolus-Muscheln (Zellkern in blau) finden sich Cycloclasticus (grün) neben größeren, methanoxidierenden Bakterien (rot). (Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen)

Hinter den Kulissen: When life gives you lemons, make lemonade

Blogbeitrag von Maxim Rubin-Blum in der Nature Microbiology Community

 

Originalveröffentlichung

Maxim Rubin-Blum, Chakkiath Paul Antony, Christian Borowski, Lizbeth Sayavedra, Thomas Pape, Heiko Sahling, Gerhard Bohrmann, Manuel Kleiner, Molly C. Redmond, David L. Valentine, Nicole Dubilier (2017): Short-chain alkanes fuel mussel and sponge Cycloclasticus symbionts from deep-sea gas and oil seeps. Nature Microbiology.

DOI: 10.1038/nmicrobiol.2017.93

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Beteiligte Institute

Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen

MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften Universität Bremen

Department of Geoscience, Universität Calgary, Kanada

Department of Biological Sciences, Universität von North Carolina, Charlotte, USA

Department of Earth Science, Universität von Kalifornien, Santa Barbara, USA

 

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Maxim Rubin Blum

MPI für Marine Mikrobiologie
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen

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Direktorin

Nicole Dubilier

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