Forscher untersuchen, wie Süßwasser-Kieselalgen im Licht bleiben

Das Frühlingswetter bietet willkommene Bedingungen für das Blühen von Blumen und Pflanzen im ganzen Land. Die richtige Mischung aus Temperatur, Feuchtigkeit und Licht trägt dazu bei, dass die grüne Welt lebendig bleibt.

Unterwasserpflanzen reagieren im Allgemeinen auf ähnliche Umwelteinflüsse, aber eine merkwürdige Entdeckung im Eriesee um 2012 veranlasste Mikrobiologen, eine ungewöhnliche Erscheinung des Winterreichtums zu untersuchen. Blüten von Kieselalgen – mikroskopisch kleine, photosynthetische Algen – lebten und befanden sich weit unter (und innerhalb) der Eisdecke des Sees.

„Einige der wichtigsten Kieselalgenblütenbildner im Winter und Frühling, wie Aulacoseira islandica, haben eine symbiotische Beziehung mit heterotrophen Bakterien, die in der Lage sind, winzige Eiskristalle zu bilden, die mit der Zeit dazu führen, dass die Kieselalgenfilamente schwimmfähig werden – so wie Eiswürfel in Ihrem Lieblingsgetränk schwimmen.“ „, sagte Brittany Zepernick, Postdoktorandin und SEC Emerging Scholar in der Abteilung für Mikrobiologie der UT.

Diese „Kieselalgen-Eiswürfel“ schwimmen zur Eisdecke des Eriesees und verankern sich darin, sodass sie das für die Photosynthese in den Wintermonaten erforderliche Licht absorbieren können. Das waren gute Nachrichten für Kieselalgen, die ein wichtiger Bestandteil des Gesamtökosystems in Seen und Ozeanen auf der ganzen Welt sind

Diese merkwürdige Anpassung ist jedoch bedroht, da die Erwärmung der globalen Temperaturen zu einem weit verbreiteten Eisrückgang in den Großen Seen geführt hat, wodurch der Eriesee in mehreren Wintern der letzten Zeit nahezu eisfrei war und Kieselalgen in trüben, lichtarmen Gewässern stecken blieben. In diesen neuen „klimatisch unbekannten Gewässern“ waren die Anpassungen, von denen diese Winterkieselalgen so lange profitiert hatten, plötzlich nicht mehr von Nutzen.

Also, was kann eine Kieselalge tun? Zepernick und Kollegen wandten sich an die Ufer des Eriesees, um die sich entwickelnde Situation zu untersuchen. Mit Hilfe der US-amerikanischen und kanadischen Küstenwache beprobten sie die eisbedeckten (im Jahr 2019) und eisfreien (im Jahr 2020) Wintergewässer des Eriesees, um herauszufinden, wie Kieselalgen auf veränderte Umweltbedingungen reagierten. Sie vor kurzem veröffentlicht ihre Arbeit in der Das ISME Journal.

Zwei Hauptgattungen der Diatomeen dominieren die Winterblüte: Aulacoseira islandica und Stephanodiscus spp.

„Die Häufigkeit von Stephanodiscus spp. war in der eisfreien Wassersäule von 2020 im Vergleich zur eisbedeckten Wassersäule von 2019 etwa 70 Prozent geringer“, sagte Zepernick. „Ebenso war die Häufigkeit von Aulacoseira islandica in der eisfreien Wassersäule um rund 50 Prozent geringer als in der eisbedeckten Wassersäule.“

Da die Eisbedeckung der Großen Seen auf Rekordtiefstständen liegt – von rund 80 % Eisbedeckung in den Jahren 2018 und 2019 auf nur noch 8 % im Jahr 2023 – gehen Forscher davon aus, dass sich dieser Trend in künftigen Wintern fortsetzen wird.

Der nächste Schritt besteht darin, zu untersuchen, welche Auswirkungen dies auf den Eriesee hat, der zusammen mit den anderen Großen Laurentianischen Seen in den USA und Kanada zusammen etwa 20 % des Süßwassers der Erde enthält.

„Trotz der entscheidenden Bedeutung dieses Systems wussten wir bis etwa 2012 nicht, dass sich in den Winter- und Frühlingsmonaten überhaupt Kieselalgenblüten bilden“, sagte Zepernick. „Viele Forscher haben die Winterwassersäule als ‚neue Grenze‘ oder ‚Black Box‘ bezeichnet.“ Was wir wissen ist, dass Kieselalgen für regionale Seeökosysteme und das globale Klima von entscheidender Bedeutung sind.“

Kieselalgen machen schätzungsweise 20 % der weltweiten Kohlenstoffbindung und Sauerstoffproduktion aus, spielen eine wichtige Rolle in globalen biogeochemischen Kreisläufen und stellen einen entscheidenden Bestandteil des aquatischen Ökosystems in Süßwassersystemen dar.

„Daher werden die großräumigen Veränderungen, die bereits in den Winter-Frühlings-Diatomeengemeinschaften im Eriesee und anderen Seen auf der ganzen Welt stattfinden, zu großräumigen biologischen und biogeochemischen Veränderungen führen“, sagte Zepernick.

Das Licht am Ende des eisigen Tunnels könnte auf dem Anpassungspotenzial der Kieselalgen beruhen. Zepernicks jüngste Arbeit deutet darauf hin, dass sie möglicherweise Cluster mit anhaftenden Proteinen, sogenannten Fasciclinen, bilden könnten, um über „Unterwasserwellen“, die durch Wind, Konvektion und Unterwasserströmungen erzeugt werden, an die Oberfläche des schlammigen Wassers zu „flossen“.

Eine weitere von Zepernick angedeutete Anpassung bestand darin, dass Kieselalgen verstärkt protonenpumpende Rhodopine (PPRs) verwenden könnten – lichtsammelnde, Netzhaut enthaltende Proteine, die als Alternative zur klassischen Photosynthese dienen könnten. Sie versucht derzeit, Süßwasser-Kieselalgen aus Proben aus dem Eriesee zu isolieren, die über PPRs verfügen, um ein Modell-Süßwasser-Kieselalgen-PPR-System für weitere Untersuchungen zu erstellen. Ihre Erkenntnisse könnten Hinweise auf die nächste Bewegung der Kieselalgen in einem sich schnell ändernden Klima geben.

„PPRs sind ein heißes Thema in der Meeresliteratur, dennoch wissen wir sehr wenig darüber, wie sich diese Mechanismen auf Süßwassersysteme und Taxa auswirken“, sagte sie. „Ich bin daran interessiert, die Vorteile aufzuklären, die PPRs sowohl für Süßwasser- als auch für Meeres-Kieselalgen bei einer Vielzahl neuer – und zukünftiger – klimatischer Stressfaktoren haben können.“