Thermophile sporenbildende Sulfatreduzierer in der Kälte

Sulfatreduzierende Mikroorganismen (SRM) sind maßgeblich für den anaeroben Schwefelkreislauf und für die Mineralisierung von Kohlenstoff in den oberen, anoxischen Sedimentschichten der Meere verantwortlich, und somit von zentraler Relevanz für die globalen Stoffkreisläufe. Interessanterweise finden sich in einigen kalten und gemäßigten Meeressedimenten neben den erwarteten psychro- und mesophilen SRM auch Sporen von thermophilen Vertretern dieser einzigartigen Organismengruppe. Bislang ist allerdings nichts über die Herkunft und die Verbreitungsart dieser Sporen bekannt. Eine Hypothese ist, dass diese sporenbildenden und hitzeliebenden SRM in heißen Schichten tief unter dem Meeresboden wachsen und über örtlich begrenzte Ströme zur Sedimentoberfläche transportiert werden. Möglicherweise stellen diese Austrittstellen auch Bereiche dar durch die gelegentlich Öl und Gas aus tiefen Vorkommen nach oben dringen. Die offensichtliche Unfähigkeit der thermophilen SRM in den kalten Sedimenten, in denen man sie entdeckt hat, zu wachsen, bietet eine einzigartige Chance an ihrem Beispiel die Biogeographie und Verbreitung von Mikroorganismen in den Meeren zu studieren. In diesem Projekt wird die Diversität und Verbreitung der thermophilen SRM Sporen in verschiedenen Ozeanen mittels einer Kombination von molekularen, biogeochemischen und kultivierungsbasierten Methoden untersucht und somit neue Einblicke in die Herkunft und Verbreitungsmechanismen dieser ungewöhnlicher Mikroorganismen gewonnen. Praktische molekulare und biogeochemische Verfahren werden für den Nachweis und die Quantifizierung thermophiler, sporenbildender SRM entwickelt. Mit Hilfe dieser Methoden wird zusätzlich getestet, ob diese Sporen Bioindikatoren für Ströme tief aus dem heißen Meeresuntergrund und für potentielle unterseeische Öl- /Gasvorkommen sein könnten.

Die Biogeographie von Mikroorganismen wird maßgeblich durch deren passive Verbreitung und Selektion aufgrund lokaler Umweltbedingungen bestimmt. Eine Unterscheidung dieser beider Prozesse ist nur schwer möglich. Im Rahmen dieses Projektes wurden inaktive Sporen wärmeliebender Bakterien, die in kalten oder gemäßigten Meeressedimenten zu finden sind, als Bioindikatoren für den selektiven Einfluss von passiver Verbreitung auf die Biogeographie mariner Mikroorganismen etabliert. Inkubation von Sedimenten bei hohen Temperaturen führte zum Auskeimen einer genetisch und metabolisch diversen Sporengemeinschaft wärmeliebender Bakterien. Die nächsten Verwandten dieser sporenbildenden Bakterien stammen aus Hydrothermalquellen oder Öl/Gasreservoirs im marinen Untergrund. Dies brachte erste Hinweise zum möglichen Ursprung der Sporen, deren Vielfalt in den Meeren vermutlich durch mehre solcher Quellen gespeist wird. Durch Meeresströmungen und Sedimentation werden Sporen thermophiler Bakterien konstant dem Meeresboden zugeführt, wo sie mitunter sehr lange Zeit überleben können. Durch Untersuchung der globalen Biogeographie der Sporen wärmeliebender Bakterien in Meeressedimenten konnte gezeigt werden, dass die Verbreitung der Sporen von der Anbindung regionaler Wassermassen an die globale Ozeanzirkulation bestimmt wird. Hydrothermale Sedimente im Guaymas Basin (Golf von Kalifornien) beherbergen einen großen Anteil der global verbreiteten Sporen und wurden als typische Quellen der sporenbildenden, wärmeliebenden Bakterien identifiziert. Die beobachteten Einschränkungen in der passiven Verbreitung der Sporen im Meer gelten allgemein für alle mikrobielle Zellen, werden aber je nach der Populationsgröße und dem Maß an Resistenz gegenüber unwirtlichen Umweltbedingungen bei jedem einzelnen mikrobiellen Taxons unterschiedlich stark zum Tragen kommen.