Forscher finden heraus, dass Bakterien im arktischen Meeresboden das ganze Jahr über aktiv sind

Trotz der ausgeprägten Saisonalität in ihrem Lebensraum ist die Bakteriengemeinschaft in arktischen Sedimenten taxonomisch und funktionell sehr stabil.

Forscher aus Bremen untersuchten die Zusammensetzung und Funktion von Bakterien im Meeresboden vor Spitzbergen während abwechselnder Perioden von Polarnacht und Mitternachtssonne. Dafür entwickelten sie eigens ein Probenahmegerät, den Ellrott-Greifer. Im Gegensatz zu Bakteriengemeinschaften im darüber liegenden Wasser verändern sich die Sedimentbakterien kaum mit den Jahreszeiten. Dies liegt vermutlich daran, dass im Meeresboden das ganze Jahr über einige schwer verdauliche Nahrungsmittel vorhanden sind.

Die Arktis ist kalt und lebensfeindlich, dennoch beherbergt sie eine Vielzahl von Mikroorganismen, deren Aktivität erhebliche Auswirkungen auf das Leben auf unserem Planeten hat. Beispielsweise spielen Bakterien im Meeresboden eine zentrale Rolle bei der Verarbeitung der Biomasse abgestorbener Organismen und wandeln dabei den enthaltenen Kohlenstoff in schwer abbaubare Stoffe um, die lange gespeichert bleiben können.

Neben der Kälte ist die ungewöhnliche Saisonalität ein auffälliges Merkmal polarer Lebensräume: Tag und Nacht wechseln sich nicht alle zwölf Stunden ab, sondern das ganze Jahr über schwankt zwischen Mitternachtssonne und Polarnacht. Dies hat massive Auswirkungen auf die lokale Primärproduktion, die auf Sonnenlicht angewiesen ist. Im Sommer gedeihen im Meerwasser winzige Algen und auch das Leben an Land gedeiht. Im Winter kommt die Primärproduktion weitgehend zum Erliegen. Welchen Einfluss die daraus resultierenden starken Schwankungen im Eintrag organischer Stoffe auf die Bakterien im Meeresboden haben, ist wenig erforscht.

Um diese Wissenslücke zu schließen, besuchte ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen zu verschiedenen Jahreszeiten den Spitzbergen-Archipel, um die lokale Bakteriensedimentgemeinschaft zu untersuchen. Sie präsentieren jetzt ihre Erkenntnisse In Das ISME Journal.

Enzyme verändern sich stärker als Bakterien

Überraschenderweise verhält sich die Bakteriengemeinschaft im Meeresboden angesichts der Umweltbedingungen nicht wie erwartet. „Obwohl der Eintrag an organischem Material und seine Umsatzraten im Jahresverlauf stark schwanken, verändert sich die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft auf den ersten Blick kaum“, berichtet Hauptforscherin Katrin Knittel.

Bakterien im Meeresboden verhalten sich daher ganz anders als diejenigen im Wasser, wo viele von ihnen eine ausgeprägte Saisonalität aufweisen. „Benthische Bakteriengemeinschaften – also jene im Meeresboden – sind sehr komplex“, fügt Knittel hinzu. „Das macht sie so stabil und robust und macht es für uns zu einer großen Herausforderung, ihre Dynamik zu untersuchen.“

Um dieses unerwartete Verhalten besser zu verstehen, haben Knittel und ihr Team vom Max-Planck-Institut in Bremen nun die sogenannte Funktionsvielfalt der Bakterien untersucht. Wie stark verändert sich die Aktivität der Bakterien im Meeresboden zwischen Mitternachtssonne und Polarnacht?

Um das herauszufinden, analysierten sie, welche Gene die Bakterien zum Abbau von Algenzucker besitzen und in welchem ​​Umfang sie diese nutzen. „Während sich die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft zwischen den Jahreszeiten kaum unterscheidet, haben wir festgestellt, dass sich die Genexpression kohlenhydratabbauender Enzyme zwischen Winter und Frühling ändert“, erklärt Erstautor Sebastian Miksch, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an dem Projekt beteiligt war.

Im Winter überwiegen Enzyme, die a-Glucane (z. B. Glykogen) abbauen. Die a-Glucane sind intrazelluläre Speicherverbindungen heterotropher Bakterien, Tiere und Pilze. Sie sind auch das ganze restliche Jahr über verfügbar, haben dann aber eine geringere Bedeutung. Im Frühling gibt es jedoch mehr Enzyme, die b-Glucane abbauen, wie zum Beispiel den Algenbestandteil Laminarin. Dann gibt es so viele B-Glucane, dass einige davon als Speicher für später im Jahr beiseite gelegt werden könnten.

„Diese Enzyme spiegeln wider, welche Algenbestandteile – insbesondere Algenzucker – den Bakterien in den verschiedenen Jahreszeiten zur Verfügung stehen“, erklärt Knittel. „Hier ist es nicht viel anders, als auf den Bauernmarkt zu gehen: Während es in der sonnigen Jahreszeit viele verschiedene frische Obst- und Gemüsesorten gibt, bleiben irgendwann im Winter nur noch die eingelagerten Kartoffeln übrig.“

Die Bakterien im Meeresboden können daher frisches Material verwerten, das insbesondere im Frühling und Sommer aus der Wassersäule absinkt, wie beispielsweise das bereits erwähnte Laminarin. Sie können aber auch Material verbrauchen, das bereits im Meeresboden vorhanden ist oder dort produziert wird. Dazu gehören Leckerbissen wie Mucin, aber auch zähe Brocken wie Chitin. An diesen naschen die Bakterien das ganze Jahr über. Diese Nahrungsquelle ist besonders im Winter wichtig, wenn andere Nahrungsquellen knapp sind. Ihre langfristige Verfügbarkeit Ihre langfristige Verfügbarkeit stabilisiert die Bakteriengemeinschaft im Meeresboden.

„Diese Erkenntnisse treten in sehr kleinen Maßstäben auf, sind aber in einem größeren Zusammenhang wichtig: Wenn die Bakterien den Algenzucker verbrauchen, setzen sie Kohlendioxid frei. Und Kohlendioxid ist ein sehr wichtiges Treibhausgas“, betont Knittel. So können die winzigen Meeresbewohner Einfluss auf globale Prozesse nehmen.

Klein, leicht, praktisch: Der Ellrott-Greifer

Insgesamt ist die Bakteriengemeinschaft im arktischen Meeresboden daher über die Jahreszeiten hinweg überraschend einheitlich. Trotz der starken Saisonalität ist die Community in beiden Jahreszeiten präsent und aktiv. Es war jedoch nicht nur die innere Dynamik, die es Knittels Team erschwerte, die Bakterien im Meeresboden Spitzbergens zu untersuchen. Es ist auch methodisch anspruchsvoll.

„Es ist sehr schwierig, ungestörte Proben des Meeresbodens und des zwischen den Sandkörnern enthaltenen Porenwassers zu gewinnen“, erklärt Doktorandin Chyrene Moncada, die ebenfalls an dem Projekt arbeitet. „Deshalb haben wir ein eigenes Gerät entwickelt: den Ellrott-Greifer.“ Dieses Probenahmegerät, vorgestellt in ein Artikel im Tagebuch Limnologie und Ozeanographie: Methoden und benannt nach seinem Entwickler und Co-Autor Andreas Ellrott, ermöglicht es, Sedimentproben aus sandigen Sedimenten zu entnehmen, ohne diese zu stören.

Der Greifer ist so klein und leicht, dass er sich perfekt für den Einsatz auf kleinen Forschungsschiffen eignet. „Andreas ist ein brillanter Ingenieur und hat den Greifer von Grund auf entworfen und gebaut. Viele der Komponenten hat er selbst in einem 3D-Drucker hergestellt“, sagt Moncada. „Bis heute haben wir mit dem Ellrott-Greifer bereits über 100 Sedimentproben aus dem Wattenmeer und den Fjorden Spitzbergens gesammelt – und wir planen, noch viele weitere zu sammeln.“