Probenentnahme aus dem Meer
Mithilfe von zylindrischen Behältern (Niskin-Flaschen) entnehmen Forschende Proben von Meerwasser und den darin enthaltenen Mikroben in verschiedenen Tiefen. © Federico Baltar

In einem Tropfen Meereswasser, das entspricht einem Milliliter, kommen Millionen von Mikroben vor. „Mikroben sind extrem divers. Sie können Bakterien sein, Pilze, Algen oder eine Vielzahl anderer lebender Organismen“, erklärt der Ozeanograf Federico Baltar vom Department für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie an der Universität Wien.

Kurz, Mikroben sind vielfältig – und sie sind viele. 89 Prozent des Lebens in den Ozeanen sind mikrobiell. Obwohl sie weniger als hundert Mikrometer groß sind, also erst unter dem Mikroskop sichtbar werden, halten sie die Ozeane am Laufen. Federico Baltar erforscht, welche Rolle diese kleinen Organismen für die Ozeane spielen. Besonders marine Pilze interessieren den gebürtigen Spanier.

So klein, so viele, so wichtig

Mikroben spielen eine wichtige Rolle in vielen elementaren Kreisläufen – sei es jener von Kohlenstoff, Phosphor oder Schwefel. Gene auf der DNA von Organismen sind für die Bildung von Enzymen verantwortlich. Diese wiederum steuern Stoffwechselvorgänge. Gewisse marine Mikroben verfügen über Gene, die es ihnen erlauben, Enzyme zu bilden, mithilfe derer sie organisches Material, wie Plankton, in anorganische Nährstoffe wie Nitrate und Phosphate umwandeln, die wiederum andere Organismen brauchen.

Je nach Lebensgemeinschaft und Bedingungen kann beim Stoffwechselvorgang allerdings auch das Treibhausgas Stickstoffdioxid (NO2) entstehen. Andere marine Mikroben wiederum können Kohlenstoffdioxid (CO2) fixieren. „Sie spielen eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, Kohlenstoff aus der Atmosphäre in der Tiefsee zu speichern“, erklärt Projektleiter Baltar. Ihre Wichtigkeit, so belegen viele seiner Untersuchungen, kann man nicht hoch genug einstufen. Nicht zuletzt produzieren marine Mikroben die Hälfte des Sauerstoffes, der auf der Erde verfügbar ist. „Man könnte sagen, dass jeder zweite menschliche Atemzug von Mikroben in den Ozeanen ermöglicht wurde“, so der Forscher.

Die große Forschungslücke

Aktuell interessiert Baltar, wie Mikroben mit sogenannten Weichmachern, konkret Phthalaten und organischen Phosphorsäureestern (OPEs) interagieren. Diese Stoffe machen Plastik biegsamer. Sie werden vielen Produkten, von Verpackungen bis PVC-Böden, beigemischt. Weichmacher gelangen mit Plastik über Flüsse in die Ozeane oder werden über weite Strecken durch die Atmosphäre transportiert und lagern sich im Meer ab. Organische Chemiker:innen konnten sie großflächig nachweisen.

Vorstudien zeigten, dass einige Mikroben bestimmte Weichmacher verstoffwechseln und so als Energiequelle oder Nahrung nutzen können. Besonders Phthalate sind geeignet dafür. Für andere Mikroben sind diese giftig. Darüber, welche Mikroben unter verschiedenen Bedingungen mit welchen Weichmachern interagieren, ist bis dato wenig bekannt. Eine große Forschungslücke, die Federico Baltar mit seinem Team ein Stück weit schließen will. Der Wissenschaftsfonds FWF fördert sein Projekt „Biogeochemische Störungen des Ozeans durch Weichmacher“ mit rund 400.000 Euro.

Von der Antarktis ins Labor

Seine Forschung begann in den Weiten der Ozeane. Auf drei Forschungsfahrten durchquerten Federico Baltar und sein Team jeweils einen Monat den Atlantik von Spanien nach Patagonien, fuhren in die Gewässer vor der Antarktis und Grönland. Dabei nahm sein Team laufend frische Proben mariner Mikroben.

„Wir haben an diesen lebenden Proben gemessen, welche Mechanismen die Mikroben benutzen, um die komplexen organischen Moleküle zu spalten. Wir sahen uns das Genom der einzelnen Kulturen an, um zu verstehen, welches metabolische Potenzial sie haben, um diese Verbindungen abzubauen. Und dann sahen wir uns an, welche Gene sie exprimieren, um herauszufinden, welchen Stoffwechselweg sie nutzen“, erklärt der Forscher.

Von den Proben legten die Forschenden anschließend Kulturen an. Im Labor an der Universität Wien analysieren sie DNA sowie RNA der Mikroben und sequenzieren diese.

Zur Person

Federico Baltar studierte Meereswissenschaften sowie Ozeanografie und promovierte an der Universität Las Palmas de Gran Canaria.

Seine Forschungsinteressen liegen in der biologischen Ozeanografie. Baltar hat unter anderem den Outstanding Young Scientist in Biogeosciences Award der European Geosciences Union (EGU) und das Rutherford Discovery Fellowship der Royal Society of New Zealand erhalten.

Federico Baltar und Eva Breyer
Ozeanograf Federico Baltar und Kollegin Eva Breyer mit den gesammelten Meeresschätzen im Labor. Hier werden Kulturen der Mikroben angezüchtet und weiter untersucht. © Federico Baltar

„Es ist einfach erstaunlich"

Besonderes Augenmerk legen sie auf Pilze, die im Ozean von der Oberfläche bis zum Boden überall schweben. Einerseits weil diese Mikroben noch kaum erforscht sind. Erst seit wenigen Jahren ist bewiesen, dass sie im freien Ozean vorkommen. Andererseits weil Baltars Gruppe auf den Forschungsfahrten eine große Sammlung davon anlegen konnte.

Bereits rund 300 verschiedene Pilze setzten die Forschenden unterschiedlichen Mengen verschiedener Weichmacher aus. Das vorläufige Ergebnis: 15 waren in der Lage, gewisse Weichmacher abzubauen. „Ich hatte die Hypothese aufgestellt, dass es auch im offenen Ozean Pilze geben könnte, die Plastik oder Weichmacher abbauen. Herauszufinden, dass sie stimmte, hat mich nicht nur überrascht, es hat mich glücklich gemacht. Es ist einfach erstaunlich“, sagt Baltar. Da der Forschungsprozess noch nicht abgeschlossen ist, könne man dies noch nicht gesichert sagen, zeigt sich der Wissenschaftler vorsichtig, aber die Forschenden sind auf der richtigen Spur.

Aktuell sequenzieren die Mitglieder seiner Forschungsgruppe die Genome der 15 Pilzarten. Denn Federico Baltar und sein Team wollen herausfinden, welche Enzyme zum Einsatz kommen und welchen Stoffwechselweg sie nutzen. „Wenn wir das Genom, die Genexpression und die enzymatische Aktivität kennen, können wir sehen, ob die verschiedenen Pilzarten denselben Stoffwechselweg nutzen“, erklärt der Ozeanograf.  

Wie mit der Machete durch die Wildnis

Zudem testen die Forschenden, wie Temperatur und Salzgehalt des Wassers die Stoffwechselwege der marinen Pilze beeinflussen. Eine wichtige Fragestellung mit Blick in die Zukunft, denn als Folge der Klimakrise erhitzt sich das Wasser der Ozeane, schmelzen Eismassen. Dadurch wird das Meerwasser in vielen Regionen salzhaltiger, in anderen nimmt der Salzgehalt ab.

Um genaue Antworten auf ihre aktuellen Forschungsfragen zu finden, werden Federico Baltar und sein Team noch eine Menge von Experimenten durchführen. Wie viele genau, entscheidet sich im Forschungsprozess. „Es gibt viele unbekannte Aspekte. Wir können uns nur an den Kulturen und den Bedingungen orientieren, die wir simulieren, und diese überprüfen. Es ist, als würde man sich mit einer Machete in die vollkommene Wildnis aufmachen.“

Am Ende des Prozesses werden die Forschenden zu den Feldproben zurückkehren. „Wir werden uns ansehen, wie häufig die Pilze im Ozean vorkommen. Wir wollen wissen: Verwenden sie die Gene auch im offenen Ozean?“, erklärt Baltar.

Für danach sind schon die nächsten Schritte geplant. Das Team um Baltar will erforschen, wie Mikroben mit dem Weichmacher Bisphenol interagieren. Ende des Jahres 2024 sollen die ersten wissenschaftlichen Papers dazu erscheinen. Damit legt Federico Baltars Forschung den Grundstein von dem Verständnis darüber, wie Mikroben wie marine Pilze im offenen Ozean mit Weichmachern interagieren. Wissen, auf das auch Forschende anderer Disziplinen aufbauen können.

Publikationen

Baltar F., Martínez-Pérez C., Amano C. et al.: A ubiquitous gammaproteobacterial clade dominates expression of sulfur oxidation genes across the mesopelagic ocean, in: Nature Microbiology 2023

Breyer E., Baltar F.: The largely neglected ecological role of oceanic pelagic fungi, in: Trends in Ecology & Evolution 2023

Breyer E., Zhao Z., Herndl GJ., Baltar F.: Global contribution of pelagic fungi to protein degradation in the ocean, in: Microbiome 2022

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