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Wie Nährstoffe im sauerstoffarmen Meer verloren gehen

Kieler Forschungsteam beschreibt erstmals genetische und evolutionäre Mechanismen der Nitratumwandlung bei Foraminiferen

Im Zuge der globalen Klimaveränderungen beobachten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Zunahme sauerstoffarmer Gebiete im Ozean, die sie auch als Sauerstoffminimumzonen bezeichnen (Englisch: Oxygen Minimum Zones, OMZ). In großer Ausdehnung existieren sie zum Beispiel im Pazifik vor der Küste Südamerikas oder im Indischen Ozean. Da dort in Abhängigkeit von der Wassertiefe wenig bis gar kein Sauerstoff vorhanden ist, sind Lebewesen im Vorteil, deren Stoffwechsel sauerstoffunabhängig ablaufen kann. Zu diesen Organismen zählen einige Vertreter der Foraminiferen: einzellige, gehäusebildende Kleinstlebewesen, die bereits über einen Zellkern verfügen und damit zu den sogenannten Eukaryoten zählen. Ihre Lebensweise geht mit einem bestimmten Stoffwechselweg einher, der als anaerobe Atmung bezeichnet wird. Dabei wandeln sie im Wasser vorhandenes Nitrat in Abwesenheit von Sauerstoff in molekularen Stickstoff um. Dieser mehrstufige Prozess ist auch als Denitrifizierung bekannt und bildet einen zentralen Teil in der globalen Verwertung von Stickstoff, einem für die Lebensprozesse aller Organismen essentiellem Element. In Meeresgebieten mit besonders geringem Sauerstoffanteil treten Foraminiferen auffallend häufig auf. Sie binden dort Nitrat in großem Umfang und entziehen es so dem globalen Nährstoffkreislauf. Damit tragen Foraminiferen möglicherweise entscheidend zum Nährstoffverlust in den OMZ bei. Einem Forschungsteam vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), dem Sonderforschungsbereich (SFB) 754 "Klima-Biogeochemische Wechselwirkungen im tropischen Ozean" am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel und dem Kiel Evolution Center (KEC) gelang es nun, den bislang unbekannten Denitrifizierungsprozess in Foraminiferen anhand zweier Arten zu beschreiben: Die Forschenden konnten nachweisen, dass Globobulimina turgida sowie die verwandte Art Globobulimina auriculata über einen einzigartigen, eukaryotischen Stoffwechselweg zur Denitrifizierung verfügen. Dazu veröffentlichte das Forschungsteam heute, (Donnerstag, 2. August) erstmals eine Charakterisierung der dazu nötigen genetischen Ausstattung dieser Foraminiferenarten in der renommierten Fachzeitschrift Current Biology

Zunächst nahm das Forschungsteam Sedimentproben im südschwedischen Gullmarfjord. Er weist durch seine besondere Form und die damit verbundene Wasserschichtung saisonal ein ähnliches Sauerstoffvorkommen auf wie die großen ozeanischen OMZ. Im Fjord leben Foraminiferen in den obersten Zentimetern des Meeresbodens. Hier ist mehrere Monate im Jahr kaum Sauerstoff vorhanden. Den Forschenden gelang es, die Kleinstlebewesen in einem eigens entwickelten Verfahren im Labor zu halten: „Um die stark auf ihre besonderen Umweltbedingungen spezialisierten Foraminiferen im Detail untersuchen zu können, mussten wir die natürlichen Sauerstoffverhältnisse in etwa 120 Metern Tiefe künstlich erzeugen“, betont Dr. Alexandra-Sophie Roy aus der Arbeitsgruppe Genomische Mikrobiologie an der CAU. Gemeinsam mit ihrem Kollegen Dr. Christian Wöhle ist sie Erstautorin der nun erschienenen Studie, die im Rahmen des SFB 754 entstanden ist.

Anschließend untersuchten die Forschenden die gesamten genetischen Informationen der Foraminiferen auf Hinweise, ob sie eigenständig zur Denitrifizierung fähig sind oder ob zum Beispiel symbiotische Bakterien dafür verantwortlich sind. Bereits bekannt war, dass Bakterien und Pilze denitrifizieren können und daher über eine entsprechende genetische Ausstattung verfügen. Die Forschenden suchten also im Genom der Foraminiferen nach bereits von Bakterien oder Pilzen bekannten spezifischen Genen, die dort an der Nitratumwandlung beteiligt sind. „Wir sind auf drei proteincodierende Gene gestoßen, die definitiv nicht von symbiotischen Bakterien stammen“, hebt Wöhle hervor. Bei der vollständigen Denitrifizierung wird Nitrat in vier Schritten zum Endprodukt, dem molekularen Stickstoff, umgewandelt. Um die dafür notwendigen Moleküle bilden zu können, verfügen alle denitrifizierenden Organismen über eine ähnliche genetische Ausstattung. Zwar habe man nicht alle an der Nitratumwandlung beteiligten Gene gefunden, die nun entdeckten Erbinformationen sind aber Teil des Foraminiferen-eigenen Genoms. Ihr Stoffwechsel unterscheide diese marinen Kleinstlebewesen auf jeden Fall von allen anderen eukaryotischen Organismen, unterstreichen Roy und Wöhle die Bedeutung der Forschungsarbeit.

Gestützt wird diese Theorie auch vom offenkundigen ökologischen Erfolg der Foraminiferen in der sauerstoffarmen Meeresumwelt: Untersuchungen der OMZ vor der peruanischen Küste haben zum Beispiel gezeigt, dass die Kleinstlebewesen dort eine Schlüsselrolle im Nitratzyklus einnehmen und mit mehr als 500 Individuen pro Kubikzentimeter im Sediment auftreten können. Diese Dominanz erlangten sie offenbar auch durch den evolutionären Erwerb der Fähigkeit zur vollständigen Denitrifizierung. Eine Beteiligung symbiotischer Bakterien an der Umsetzung des Nitrats in großen Mengen kann ausgeschlossen werden, da diese Form des Zusammenlebens mit den Foraminiferen zu selten vorkommt, um das Phänomen zu erklären. Die eukaryotischen Kleinstlebewesen müssen also eigenständig zur Denitrifizierung in der Lage sein. In weiteren Forschungsarbeiten möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler künftig die übrigen bei Globobulimina daran beteiligten Gene identifizieren. Weiterhin wollen sie klären, ob sich die an bestimmten Spezies und einem besonderen Meeresgebiet gewonnenen Erkenntnisse auch auf andere Foraminiferen und grundsätzlich auf Sauerstoffminimumzonen übertragen lassen.

„Besser zu verstehen, wie sich die genetischen Grundlagen der Denitrifizierung im Laufe der Evolution bei verschiedenen Organismen entwickelt haben, liefert uns ein wichtiges Puzzleteil, um ein größeres Bild der biogeochemischen Kreisläufe im Meer zusammensetzen zu können“, hebt Professorin Tal Dagan, Co- Autorin der Studie und Leiterin der Arbeitsgruppe Genomische Mikrobiologie an der CAU, hervor. Anhand der Evolution der beteiligten Gene könne man die erdgeschichtliche Entstehung dieser Stoffkreisläufe und den Anteil einzelner Lebewesen daran besser nachvollziehen, so Dagan weiter. „Im Zusammenhang globaler Umweltveränderungen wird ein genaueres Verständnis des Umsatzes und der Verteilung von elementaren Stoffen im Ozean immer wichtiger. Mit den neuen Ergebnissen tragen wir ein Stück dazu bei, den Einfluss des Klimawandels auf vom Sauerstoffgehalt abhängige Nährstoffkreisläufe im Meer besser zu verstehen“, ergänzt der ebenfalls an der Studie beteiligte Dr. Joachim Schönfeld vom SFB 754. So könne man zum Beispiel künftig besser abschätzen, wie sich geänderte Umweltbedingungen auf das Nährstoffangebot und damit die Nahrungsbeziehungen zwischen verschiedenen Lebewesen im Ozean auswirken, fasst Schönfeld zusammen.

Originalarbeit:

Christian Wöhle, Alexandra-Sophie Roy, Nicolaas Glock, Tanita Wein, Julia Weissenbach, Philip Rosenstiel, Claas Hiebenthal, Jan Michels, Joachim Schönfeld, Tal Dagan (2018) “A novel eukaryotic denitrification pathway in foraminifera”. Current Biology, Published on August 2, 2018, https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.06.027

Weitere Informationen:

Genomische Mikrobiologie (AG Dagan),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-dagan

Sonderforschungsbereich (SFB) 754
"Klima-Biogeochemische Wechselwirkungen im tropischen Ozean", GEOMAR:
www.sfb754.de/de

Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU Kiel:
www.kec.uni-kiel.de

Ocean Deoxygenation Conference, Öffentliche Vorträge am 5.9.2018,
Sonderforschungsbereich (SFB) 754:
conference.sfb754.de/event/1/page/15-public-event-teacher-workshop
 

Kontakt:

Prof. Tal Dagan
Genomische Mikrobiologie,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-5712
E-Mail: tdagan@ifam.uni-kiel.de

Dr. Christian Wöhle
Genomische Mikrobiologie,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-5744
E-Mail: cwoehle@ifam.uni-kiel.de

Dr. Alexandra-Sophie Roy
Genomische Mikrobiologie,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-5714
E-Mail:  sroy@ifam.uni-kiel.de

Pressekontakt:

Christian Urban
Referent für Wissenschaftskommunikation