Mikrobelle Ozeanographie, Marine Biogeochemie

Seit Beginn seiner wissenschaftlichen Arbeit hat sich Gerhard Herndl mit Fragen mikrobieller Meeresökologie beschäftigt und in diesen mehr als 25 Jahren essenzielle Beiträge zu einem besseren Verständnis mikrobieller Vorgänge und Zusammenhänge in den Weltmeeren geleistet. Wissenschaftlich bekannt wurde er unter anderem mit den Untersuchungen zum Phänomen des "Marine Snow" in der Oberen Adria. Beispielsweise konnte Gerhard Herndl zeigen, dass Bakterien in "Marine Snow" deutlich höhere Exo-Enzym-Aktivitäten aufweisen als frei lebende Bakterien. Dadurch können Bakterien im "Marine Snow" organisches Material schneller zersetzen und auf diesem Wege Nährstoffe (wieder) herstellen. Zudem konnte von der Arbeitsgruppe um Gerhard Herndl die Entstehung von "Marine Snow" geklärt werden. Wurde ursprünglich angenommen, dass "Marine Snow" durch Algen am Boden der Nordadria entsteht, konnte Gerhard Herndl und sein Team zeigen, dass diese Partikel von pflanzlichem Plankton produziert wird. Diese und andere von Gerhard Herndl erarbeiteten Forschungsergebnisse haben dazu geführt, dass Lehrbücher neu bzw. umgeschrieben werden mussten. Obwohl Gerhard Herndl sich mit sehr spezifisch anmutenden Fragestellungen der Meeresbiologie beschäftigt, wird schnell klar, dass Prozesse wie die Stoffwechselaktivität von Tiefsee-Mikroorganismen und deren Rolle in den Stoffkreisläufen von essenzieller Bedeutung für das Verstehen der größten Ökosysteme auf der Erde sind, zumal die Tiefsee ca. 80% des gesamten Wasservolumens der Ozeane darstellt. Die Rolle der Mikroorganismen in der Tiefsee besser zu verstehen ist nicht nur ein Gebot der Gegenwart - Stichworte "Fukushima" und "Deepwater Horizon" - sondern trägt dazu bei, die Bedeutung des Ökosystems "Meer" für das System "Erde" genauer einschätzen zu können. Gerhard Herndls ganzheitlicher Ansatz, mikrobielle Meeresökologie zu betreiben führt dazu, dass in seiner Forschung Komplexitätsgrade erreicht werden, die sich nur mittels einer Fülle methodischer Zugänge und unterschiedlichster Fragestellungen bewältigen lassen. Die Tiefsee beherbergt eine Vielzahl noch unbekannter Mikroben, von denen nur ihre Nukleinsäure-Signatur bekannt ist, mit physiologischen Eigenschafen, die es ihnen ermöglicht unter widrigen Umständen wie extrem hohem (Wasser-)Druck und tiefen Temperaturen zu leben. Diese Charakteristika sollten eine mögliche Quelle für neue, biotechnologische Anwendungen sein, deren Potenzial sich einer Einschätzung heute noch weitgehend entzieht. Es ist ein Glücksfall, dass es gelungen ist, Gerhard Herndl und sein gesamtes Team nach Österreich zu holen, um das Wissen, die Erfahrung und das Know how in Bereichen wie Biogeochemie, mikrobieller Ozeanographie um Aspekte der Biotechnologie zu erweitern. "Wir wissen heute mehr über die Oberfläche des Mondes als über die Tiefsee. Daran möchte ich etwas ändern", sagt Gerhard Herndl. Und: "Der Wittgenstein-Preis soll dazu beitragen, die unbekannten, dunklen Tiefen der Weltmeere und ihre zentrale Rolle für die biogeochemischen Flüsse und Kreisläufe der sich im Wandel befindlichen Ozeane und ihre Bedeutung für das Weltklima besser zu verstehen", gibt Gerhard Herndl die Perspektive für seine weitere Forschung vor. Sein Ziel ist es, unter anderem aus Mitteln des Wittgenstein-Preises an der Universität Wien ein weltweit anerkanntes und sichtbares Zentrum für Mikrobielle Ozeanographie zu etablieren, das auf den bereits bestehenden Stärken in der Ökologie und Mikrobiologie an der Universität Wien aufbaut.

Das Projekt widmete sich der Aufklärung des organischen Kohlenstofflusses in der Tiefsee am Beispiel des Atlantiks. Das Kohlenstoffbudget der Tiefsee konnte bisher nicht geschlossen werden, da laut all den verfügbaren Daten weniger organischer Kohlenstoff, der von pflanzlichem Plankton in den sonnendurchfluteten Wasserschichten produziert wird, in die Tiefsee gelangen als notwendig wäre, um die gemessenen Atmungsraten der Tiefseeorganismen zu erklären. Dies bedeutet, dass scheinbar mehr organischer Kohlenstoff in der Tiefsee veratmet als aus dem Oberflächengewässer exportiert wird, was natürlich darauf schließen lässt, dass einige der Parameter nicht richtig gemessen werden. So wurde bisher die mikrobielle Konsumation von organischem Kohlenstoff fast ausschließlich unter Oberflächendruckbedingungen gemessen. Im Rahmen des Projektes wurden drei einmonatige Forschungsfahrten im Atlantik durchgeführt und entsprechende, für den organischen Kohlenstofffluss entscheidende Parameter, gemessen. Mikroorganismen sind die hauptsächlichen Konsumenten von organischem Kohlenstoff in der Tiefsee. Daher wurde die mikrobielle Konsumation von organischem Kohlenstoff unter den Druckbedingungen der Tiefsee gemessen und mit denen unter Oberflächenbedingungen verglichen. Unsere Messungen zeigten, dass die Mikroben der Tiefsee durch die dort herrschenden Druckbedingungen massiv in ihrer Konsumation von organischem Kohlenstoff eingeschränkt werden. Die Druckverhältnisse in 2000 m Tiefe führen dazu, dass die mikrobielle Aktivität auf ca 20 % der Aktivität gemessen an der Oberfläche reduziert wird. Je höher der hydrostatische Druck, desto grösser ist auch die Reduktion der mikrobiellen Aktivität. Das heißt, dass die mikrobielle Aktivität der Tiefseemikroben in den bisherigen Messungen massiv überschätzt wurde. Unsere Messungen zeigten auch, dass der überwiegende Teil der Tiefseemikroben-Gemeinschaft nicht an die dort herrschenden Druckverhältnisse angepasst ist. Ein weiterer Teil des Projektes befasste sich mit der autotrophen Mikrobengemeinschaft der Tiefsee. Wir konnten zeigen, dass die Kohlendioxidfixierung der autotrophen Gemeinschaft der Tiefsee etwa so hoch ist wie jene der heterotrophen Mikrobengemeinschaft. Diese autotrophen Mikroben verwenden teilweise die selben Enzyme zur Kohlendioxidfixierung wie autotrophe Pflanzen. Als Energiequelle zur Kohlendioxidfixierung verwenden diese autotrophen Tiefseemikroben reduzierte Schwefelverbindungen, Wasserstoff und eine Vielzahl weiterer anorganischer reduzierter Verbindungen. Aufgrund dieser Arbeiten, konnten wir den organischen Kohlenstoffkreislauf der Tiefsee aufklären.