Neue Zusammenhänge im marine sediment Schwefelkreislauf

Die Sedimente des Meeresbodens beherbergen in etwa die gleiche Menge an Mikroorganismen wie der gesamte darüber liegende Ozean und von den meisten dieser Mikroorganismen weiß man weder etwas über deren Identität, noch deren Ökologie. Die immense Ausdehnung dieser unterirdischen Biosphäre wird erst deutlich wenn man bedenkt, dass die Ozeane dieser Welt mehr als 70% der Erdoberfläche bedecken und dass die darunter liegenden Sedimentschichten an manchen Stellen bis zu mehreren Kilometern dick sein können. Aus diesem Grund leisten marine Sedimente einen signifikanten Beitrag in den globalen Stoffkreisläufen unseres Planeten, wie etwa dem Kohlenstoffkreislauf, der das Sediment, den Ozean und unsere Atmosphäre miteinander vernetzt. Schwefelhaltige Verbindungen spielen in marinen Sedimenten aufgund ihres großen Vorkommens eine wichtige Rolle für das Wachstums der dort lebenden Mikroorganismen. Diese schwefelhaltigen Verbindungen werden für die Atmung verwendet, da Sauerstoff in den zumeist anoxischen Sedimentschichten nicht vorkommt. Mikroorganismen, die in marinen Sedimenten mithilfe von Schwefel atmen können, spielen daher eine besonders wichtige Rolle für dieses Ökosystem und die globalen Stoffkreisläufe. Biogeochemische Studien haben interessanterweise gezeigt, dass der Schwefelkreislauf in den Ozeanen deutlich komplexer ist als bisher angenommen. Es existiert nämlich eine große Zahl bisher wenig beachteter Schwefelverbindungen, die von Mikroorganismen für Atmung und Wachstum verwendet werden können. Die Mikroorganismen, die diese Schwefelverbindungen verwenden, spielen nicht nur im Schwefelkreislauf eine Schlüsselrolle, sondern auch in der Umsetzung von anderen Elementen wie z.B. Kohlenstoff. Obwohl wir die Chemie dieser Prozesse bereits besser verstehen, wissen wir nahezu nichts über die Mikroorganismen die diese Prozesse kontrollieren, oder darüber wie diese Prozesse deren Diversität sowie Interaktionen mit sich und der Umwelt in marinen Sedimenten beeinflussen. Dieses Projekt zielt daher darauf ab, jene Mikroorganismen zu identifizieren und besser zu erforschen, welche diese neu verstanden Prozesse im marinen Schwefelkreislauf kontrollieren. Da man die meisten Mikroorganismen (> 99%) in unserer Umwelt nicht kulitivieren kann, werden in diesem Projekt innovative Techniken verwendet um die Ökologie dieser Mikororganismen direkt in der Umwelt zu studieren. Für molekulare Analysen werden modernste DNA Sequenzierungsmethoden und innovative Umweltgenomik verwendet, die uns in Kombination mit Experimenten und Umweltstudien dabei helfen werden, diese neuen Zusammenhänge im marinen Schwefelkreislauf besser zu verstehen. Diese Arbeit wird einen wichtigen Beitrag dazu leisten, unser grundlegendes Verständnis über folgende Aspekte zu erweitern: i) welche Faktoren beeinflussen das Vorkommen verschiedenster Mikroorganismen in marinen Sedimenten, ii) welche Funktionen haben einige der bisher unbekannten Mikroorganismen im Meeresboden, etwa die Mikroorganismen die der so genannten dunklen Materie zugerechnet werden, iii) welche Wirkung haben verschiedene Mikroorganismen auf die stark vernetzten Stoffkreisläufe auf unserem Planeten, wie z.B. auf den Kohlenstoff-, den Schwefel- und die Metallkreisläufe, und iv) darüber hinaus welche Prozesse und Mikroorganismen beeinflussen die Produktion von Sulfidverbindungen, die für den Menschen eine entscheidende Rolle spielen können, z.B. bei biologischer Sanierung oder Ölbohrprojekten.

Die Sedimente der Ozeanböden sind lebende und atmende Systeme, welche eine große Anzahl an unerforschten Mikroorganismen beherbergen. Diese reichhaltige Biosphäre spielt eine wichtige Rolle im globalen Kreislauf der Elemente, wie zum Beispiel dem Kohlenstoffkreislauf in den Ozeanen. Schwefelverbindungen kommen besonders häufig in marinen Systemen vor und spielen auch eine essentielle Rolle für das Wachstum der Organismen. In Sedimenten können diese Schwefelverbindungen von Mikroorganismen "veratmet" werden, wenn Sauerstoff nicht zur Verfügung steht. In den sauerstofffreien Zonen der Sedimente, welche den Großteil der Sedimente ausmachen, ist Wachstum durch Atmung mit Schwefelverbindungen einer der wichtigsten Prozesse für Mikroorganismen. Diese Organismen zählen daher auch zu den Schlüsselfiguren dieser Ökosysteme. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Schwefelkreislauf in den Ozeanböden komplizierter ist als ursprünglich angenommen. Wir wissen heute, dass es verschiedene Schwefelverbindungen in marinen Sedimenten gibt, welche oftmals rasch von Mikroorganismen veratmet werden und/oder für deren Wachstum benötigt werden. Allerdings ist wenig darüber bekannt welche Mikroorganismen bestimmte Aspekte dieser Prozesse ausführen. Das Ziel dieses Projektes war daher jene Mikroorganismen zu identifizieren und zu untersuchen, welche diese erst kürzlich verstandenen Aspekte des marinen Schwefelkreislaufes kontrollieren. Als eines der Resultate dieses Projekts wurde eine Gruppe von Bakterien in marinen Sedimenten als wichtige Organismen innerhalb des Schwefelkreislaufes entdeckt und als Acidobakterien identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass diese Acidobakterien als eine der wichtigsten mikrobiellen Organismen innerhalb des Schwefelkreislaufes fungieren. Es ist anzunehmen, dass sie an der Transformation verschiedener Schwefelverbindungen beteiligt sind, was sie zu Spezialisten des Schwefelkreislaufs macht. Ein weiterer wichtiger Grund Acidobakterien zu erforschen ist, dass sie zwar eine dominante und auch bekannte Gruppe an Bakterien in Böden darstellen, jedoch wurden sie in marinen Systemen noch sehr wenig untersucht. Auch hier erbringen wir neue Erkenntnisse zu den Funktionen von Acidobakterien. Wir konnten ebenfalls zeigen, dass die Nutzung von "ungewöhnlichen" Schwefel-verbindungen weit verbreitet ist unter Bakterien von marinen Sedimenten. Des Weiteren scheint ein großer Teil der mikrobiellen Populationen in marinen Sedimenten auf die eine oder andere Art am Schwefelkreislauf beteiligt zu sein. Dies zeigt, welch starken Einfluss der Schwefelkreislauf auf die Evolution und auf die Funktionen vieler Mikroorganismen in marinen Sedimenten hat.