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Was wir forschen

Kosmos der Winzlinge

Die Mikrobiologie richtet ihr Augenmerk auf die Mikroorganismen und deren Wechselwirkungen mit der Umwelt. Wer ist wer und was kann welche Art? Für die Antworten darauf analysieren wir die Mikroben jeweils bis in ihre kleinsten Bestandteile hinein – und finden immer wieder Erstaunliches und Faszinierendes.  

365.000 Kilometer

Küstenlinie gibt es auf der Welt. Diese Zahl umfasst die Küsten aller Kontinente und die der meisten Inseln. Viele kleine Inseln sind nicht mitgezählt – doch auch so reicht diese Strecke fast neunmal am Äquator um die Welt oder einmal bis zum Mond!

Klein mit großer Rolle

Mikroorganismen spielen eine Hauptrolle für unseren Planeten und seine Bewohner. Einzeller, die man oftmals ohne Mikroskop gar nicht sehen kann, beeinflussen unser Leben maßgeblich. Mittels molekularer Ökologie erforschen wir die Vielfalt und Funktion der winzigen „Strippenzieher“ im küstennahen Wattenmeer und im offenen Ozean, an der lichtdurchfluteten Oberfläche und in der rabenschwarzen Tiefsee.

11.000 Meter

misst das Meer an seiner tiefsten Stelle. Sie liegt im Marianengraben, einer Tiefseerinne im Westpazifik.

Mikroorganismen sind klein, aber sie bewirken Großes: Bakterien, Viren und andere Mikroben haben unsere Welt gestaltet und tun es noch. Blaualgen etwa, sogenannte Cyanobakterien, haben einst durch ihre Photosynthese dafür gesorgt, dass freier Sauerstoff entstand. Nur dadurch wurde es möglich, dass überhaupt sauerstoffatmende Lebewesen existieren können. Und das ist nur ein Beispiel: Mikroben beeinflussen die weltweiten Stoffkreisläufe in ganz großem Stil – in der Luft, im Boden und im Meer.

Marine Mikrobiologinnen und Mikrobiologen wie wir haben sich den Winzlingen in den Ozeanen verschrieben, jenen im Wasser und jenen im Meeresboden. Selbst unter der Meeresbodenoberfläche leben viele, noch wenig bekannte Mikroorganismen. Auch sie „mischen mit“ in der Chemie der Ozeane. Wir wollen verstehen, wie dieser Kosmos der Winzigkeit funktioniert und was ihn treibt. 

Die Putzkolonne kommt – immer die gleichen Bakterien räumen auf

Die Tage werden länger, die Temperaturen steigen, das Grün sprießt – auch im Meer: Jedes Frühjahr wachsen in der Nordsee winzige Algen, es kommt zu einer „Algenblüte“. Per Photosynthese binden die Algen Kohlendioxid aus der Luft. Nach einiger Zeit sterben sie ab, Bakterien zersetzen ihre Überreste. Dabei wird das aufgenommene Kohlendioxid teils wieder frei. 

Aber wie groß sind die Mengen genau? Dafür müssen wir zunächst verstehen, wie der Bakterien-Aufräumtrupp arbeitet. Während jedes Jahr andere Algenarten die Blüte dominieren, treten immer wieder die gleichen mikroskopisch kleinen Saubermacher an. Offenbar bestimmt nicht die Art der Algen, welche Bakterien sich vorrangig vermehren, sondern ihre Inhaltsstoffe, vor allem sogenannte Mehrfachzucker. Enthalten verschiedene Algen die gleichen oder ähnliche Zucker, können sie auch durch die gleichen bakteriellen Enzyme abgebaut werden.

Schwer verdaulich oder Lebenselixier?

Erdöl, Methan oder Schwefelwasserstoff: Für das meiste Leben ist das alles andere als verträglich – für gewisse mikrobielle Spezialisten aber ist es ein Lebenselixier. Manche Bakterien etwa bauen mit Hilfe von Sauerstoff Erdöl ab, sie ernähren sich quasi davon. Andere wandeln Methan mit Hilfe von Eisen in Kohlendioxid um. Im Zuge dessen werden wiederum Stoffe freigesetzt, die andere Organismen nutzen können. Wir erforschen die mikrobiologischen und chemischen Prinzipien, die dahinterstehen: Welche Mikroben schaffen das, welche sind dabei möglicherweise besonders effizient? Was brauchen sie, um gut zu gedeihen? Könnte man ihr Wachstum gezielt fördern? Dann ließe sich die Natur womöglich anregen, sich etwa bei einem Ölunfall oder bei Abwasserverschmutzung quasi selbst zu reinigen.

Das Wir gewinnt

Zusammenarbeit zum Nutzen aller Beteiligten: Klingt gut, ist es auch. Solche sogenannten Symbiosen gibt es auch zwischen Bakterien und Tieren. Gemeinsam schaffen sie es, selbst die scheinbar unfreundlichsten Lebensräume zu besiedeln. Beispielsweise die Tiefsee – stockdunkel, eiskalt und nahrungsarm. Das Geheimnis heißt Chemosynthese: Bakterien nutzen Energie aus dem Meeresboden, zum Beispiel aus Methan oder Schwefelwasserstoff, und fixieren damit Kohlendioxid. Daraus bilden sie Zucker und andere Biomasse, mit denen sie ihre Symbiosepartner –  beispielsweise Würmer und Muscheln – ernähren.

Quid pro quo – Nicht ohne meinen Partner

An hydrothermalen Tiefseequellen, wo heißes, mineralreiches Wasser aus dem Meeresgrund strömt, sind Symbiosen allgegenwärtig. Photosynthese ist hier nicht möglich, denn kein Sonnenstrahl dringt bis hierher vor. Statt Licht nutzen die Mikroorganismen chemische Energie, beispielsweise aus Sulfid oder Methan, um Biomasse herzustellen. Und zwar jede Menge: So werden manche Röhrenwürmer hier mehrere Meter lang – ohne jemals selbst auch nur einen einzigen Happen zu essen. Vielmehr nehmen Bakterien unter ihrer Haut Sulfid aus dem Quellwasser auf und nutzen es als Energiequelle, um Kohlendioxid in Biomasse umzuwandeln. Davon ernähren sich dann die Würmer. Ähnliche „Lebensverträge“ gehen Bakterien mit Muscheln, Schnecken oder kleinen Krebschen ein – und das keinesfalls uneigennützig: Die Bakterien leben in ihren Wirten in behaglicher Sicherheit und stets nahe ihrer Nahrungsquelle. Quid pro quo.

 

Hier stimmt die Chemie 

Immer wieder anders, immer wieder neu: Das Leben ist stetiger Wandel. Wir erforschen die Kreisläufe verschiedener Stoffe in den Meeren, etwa von Kohlen- und Stickstoff. Und zwar von der Oberfläche bis in den Meeresgrund hinein. Hierfür richten wir den Blick im Kleinen auf die einzelne Zelle, im Großen auf das ganze Ökosystem. Wir untersuchen, wer beziehungsweise was die Prozesse steuert, wie sie sich beeinflussen und was das für den Ozean heute und in Zukunft bedeutet.

 

Kreislauf mit Leck

Kohlenstoff kontrolliert das Klima, Stickstoff die Fruchtbarkeit: Der Nährstoff Stickstoff bestimmt, wie schnell und üppig Pflanzen gedeihen. Im Ozean gelangt Stickstoff mit dem Auftrieb aus der Tiefe ins Oberflächenwasser, wo dank dessen das Algenwachstum boomt. Aber auch Flusswässer tragen Stickstoffverbindungen ein, ausgewaschen aus den Äckern der Landwirtschaft – je stärker dort gedüngt wird, umso mehr. Ein Risiko, denn das Meer könnte „kippen“, weil es schlicht ein Überangebot an Stickstoff gibt.

Ein mikrobieller Prozess im Ozean indes sorgt für chemischen Ausgleich: Sogenannte Anammox-Bakterien zersetzen Stickstoffverbindungen. Dabei wird Stickstoffgas frei, das in die Luft entweicht. So verliert die ozeanische Nahrungskette einen guten Teil des wachstumsankurbelnden Nährstoffs wieder. Das ändert dessen weltweite Bilanz und folglich auch diejenige des Kohlenstoffs. In langfristige Klimaabschätzungen ist das Anammox-Leck also unbedingt mit einzubeziehen.

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