im Schwarzen Meer - Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

FOKUS
Marcel Kuypers, einer der
Entdecker der marinen
Anammox-Bakterien, im Labor.
Die Wissenschaftler des MAX-PLANCK-INSTITUTS FÜR MARINE MIKROBIOLOGIE in Bremen
müssen seetauglich sein: Ausfahrten mit Forschungsschiffen gehören ebenso zu ihrem
Berufsalltag wie Arbeiten im Labor. Auf einer Expedition mit dem deutschen Forschungsschiff
METEOR ist ein Team aus der Abteilung von PROF. BO BARKER JØRGENSEN zusammen
mit niederländischen Kollegen im Schwarzen Meer auf bisher unbekannte Bakterien gestoßen,
die entscheidend am Stickstoffkreislauf der Ozeane beteiligt sein könnten – denn sie
wandeln das für Algen lebenswichtige Ammonium in atmosphärischen Stickstoff um.
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Stickstoff-Händler
KARTE: MIT FRDL. GENEHMIGUNG DES VERLAGES FREDERKING UND THALER, MÜNCHEN;
AUS: WELTATLAS DER OZEANE, HRSG. VON MANFRED LEIER / FOTOS: LAIF - JENS MEYER
im Schwarzen Meer
D as
Forschungsschiff METEOR
gehört der Bundesrepublik und
wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft
betrieben. Seine Besatzung
umfasst 32 Mann, zusätzlich
bietet es noch Platz für eine wissenschaftliche
Crew von 28 Personen.
Im September 2001 lief die METEOR
von Warnemünde zu einer ihrer
zahlreichen Fahrten aus. Die Reise
M 51 galt den Projekten von mindestens
14 Arbeitsgruppen; Themen
waren unter anderem: Ursachen und
Auswirkungen des Vulkanismus im
Ostatlantik, Hydrographie und Planktologie
des östlichen Mittelmeers,
Paläo-Ozeanographie und organische
Sedimente in der Ägäis sowie
Klimageschichte und Biochemie des
Schwarzen Meers. Mit Beginn des
vierten und letzten Reiseabschnitts
gingen am 13. Dezember 2001 in
Istanbul auch acht Wissenschaftler
des Bremer Max-Planck-Instituts für
marine Mikrobiologie an Bord. Ihr
Ziel: das Schwarze Meer an der Nordküste
der Türkei (Abbildung S. 34).
Für die Türken ist das Mittelmeer
das „Weiße Meer“, und deshalb
nannten sie das Gewässer vor ihrer
Nordküste das „Schwarze Meer“.
Entwicklungsgeschichtlich ist das
Schwarze Meer jung, denn es sieht
erst seit ein paar tausend Jahren so
aus wie heute. Vor fünf bis sieben
Millionen Jahren dagegen erstreckte
sich von Ostösterreich bis zum Aralsee
das riesige Sarmatische Meer –
aus dessen Fluten nur die Gipfel der
Karpaten und des Kaukasus als Inseln
herausragten. Als sich später
das Land hob, teilte sich das Sarmatische
Becken in das Aralbecken, das
Kaspische und das Pontische Becken.
Erst als die Landbrücke zwischen
Kleinasien und dem Balkan vor 6000
bis 8000 Jahren einstürzte und damit
die Verbindung zum Mittelmeer
aufbrach, verwandelte sich das Pontische
Meer in das heutige Schwarze
Meer.
Im rund 2000 Meter tiefen
Schwarzen Meer liegen zwei Wasserkörper
übereinander, die unter-
schiedlicher nicht sein könnten. In
80 bis 200 Metern Tiefe trennt eine
etwa 20 Meter dicke Schicht das
Oberflächenwasser vom leblosen,
mit giftigem Schwefelwasserstoff
gesättigten Tiefenwasser. Diese Todeszone
birgt 87 Prozent der gesamten
Wassermasse des Schwarzen
Meers – und bildet damit das
weltweit größte „anoxische“, also
sauerstofffreie Wasserbecken. Dass
sich die beiden Wasserkörper nicht
mischen, liegt an den unterschiedlichen
Salzgehalten: Das Wasser des
Mittelmeers ist stärker salzhaltig,
das Oberflächenwasser hingegen
durch den Zufluss unter anderem
aus der Donau ausgesüßt. Außerdem
ist der Bosporus sehr flach, sodass
nur wenig sauerstoffreicheres Wasser
aus dem Mittelmeer das Tiefenwasser
im Schwarzen Meer auffrischen
kann. Und auch die Temperaturverteilung
in den verschiedenen
Wasserschichten ist ungewöhnlich:
Die niedrigste Temperatur von sechs
bis sieben Grad Celsius misst man
MIKROBEN

FOKUS
Bereits an Bord werden die Sedimentproben einer ersten Analyse
unterzogen (im Bild links Marcel Kuypers, rechts Gaute Lavik).
bereits bei 50 bis 100 Meter Tiefe;
darunter steigt die Temperatur wieder
an und erreicht am Boden neun
Grad Celsius.
Als isoliertes Randmeer reagiert
das Schwarze Meer sehr empfindlich
auf Änderungen der Umwelt – und
zwar nicht nur der heutigen, sondern
ebenso der erdgeschichtlich weiter
zurückliegenden. Für Forscher bietet
es daher hervorragende Möglichkeiten
für hoch auflösende Untersuchungen
des Paläoklimas. Dabei
lassen sich auch Klimasignale aus
dem südost- und zentraleuropäischen
Raum erfassen, die im eingetragenen
Schwemm-Material aus der
Donau stecken. Darüber hinaus ist
das Schwarze Meer – als Lagerstätte
organisch reicher Sedimente aus geologischer
Vergangenheit – auch der
ideale Ort, um biogeochemische Stoffkreisläufe
zu studieren.
RÜCKBLICK AUF
7500 JAHRE KLIMA
Die spezifischen Sedimentationsbedingungen
führten zur Ablagerung
fein aufgebauter, während der
vergangenen 7500 Jahre größtenteils
sogar jahreszeitlich geschichteter
Sedimente. Das gestattet, die erdgeschichtlichen
Klimaschwankungen –
deren Verständnis für Aussagen über
die zukünftige Klimaentwicklung un-
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verzichtbar ist – bis auf Jahres-Zeitskalen
zu analysieren. Von deren
Vergleich mit anderen hoch aufgelösten
Zeitreihen sowohl aus kontinentalen
Regionen (etwa von Baumringen
aus Europa sowie Eiskernen
und Seesedimenten aus Grönland)
als auch aus marinen Bereichen
(Arabische See, östliches Mittelmeer
und Rotes Meer) erhoffen sich die
Forscher ein besseres Verständnis der
längerfristigen Variabilität globaler
oder zumindest hemisphärischer
Klimasignale wie beispielsweise von
ENSO (besser bekannt unter den Namen
El Niño und La Niña).
Die Reise der Max-Planck-Forscher
begann mit einigen Hindernissen.
So schreibt der wissenschaftliche
Leiter der Expedition, Bo Barker
Jørgensen, in seinem Wochenbericht
von Bord der METEOR: „Die Vorbereitung
der Fahrt im Hafen von Istanbul
war schwierig, weil unsere
Container zwei Tage lang nicht an
Bord kommen konnten. Sie standen
zwar da im Hafen, aber wegen der
Bürokratie und des Endes des Ramadan
wurde die Zollabfertigung verzögert,
und danach war der Pier
plötzlich von Lkws einen ganzen Tag
einfach blockiert. […] Wegen der
Hafenprobleme konnte eine In-situ-
Pump-CTD (conductivity-temperature-depth)
für kontinuierliche Profile
und Proben aus der Wassersäule
nicht aufgebaut und getestet werden.
Zwei Techniker aus dem Institut
für Ostseeforschung in Warnemünde
(IOW) sind deswegen zwei Tage mitgefahren
und haben die Messungen
erfolgreich durchgeführt. Um diesen
Gerätetest zu ermöglichen, mussten
wir im Marmarameer anfangen und
sind dann nach Istanbul zurückgekehrt,
wo wir auf Reede lagen, bis
die beiden Kollegen mit einem Boot
wieder an Land gebracht werden
konnten.“
Im Marmarameer ziehen die Wissenschaftler
an drei Stationen in
300 bis 1200 Meter Wassertiefe Sedimentkerne;
sie erscheinen sehr viel
Laborgerät zum Aufreinigen von Stickstoffgas und anderen Verbindungen aus Wasserproben.
versprechend für eine detaillierte
Analyse der holozänen und frühen
Entwicklung des Klimas und der Verbindung
zwischen Mittelmeer und
Schwarzem Meer, denn sie weisen
nach drei bis vier Metern laminierte
Schichten auf. Auch die ersten Bohrkerne
im Schwarzen Meer sind gut,
obwohl ihre Gewinnung aus dem Sediment
in der schwefelhaltigen Tiefsee
besondere Maßnahmen erfordert:
Dem Multicorer (MUC), einem Gerät
zur Entnahme von 40 bis 50 Zentimeter
langen Sedimentkernen, müssen
„Entenfüße“ angepasst werden,
damit er nicht zu tief in den weichen
Meeresboden einsinkt. In der oberen,
holozänen Abfolge des Sediments
zeigen die Kerne fein laminierte
Jahresschichten – ein Traum für jeden
Paläoklimatologen.
Die zweite Woche beginnt sehr
stürmisch und stellt die Seetauglichkeit
der Max-Planck-Forscher auf eine
harte Probe: „Bei Windstärke acht
bis neun muss die Arbeit unterbrochen
werden, und die METEOR kann
nur gegen den Wind fahren“,
schreibt Jørgensen in seinem Fahrtenbericht.
Die Fachleute fürchten,
dass die Wetterbedingungen ihre Arbeit
weiter beeinträchtigen könnten
– doch glücklicherweise flaut der
Wind wieder ab, und die Untersuchungen
im westlichen Schwarzen
Meer können weitergehen. Entlang
des Kontinentalhangs vom 2100 Meter
tiefen Becken bis auf den Schelf
werden neben Schwerelot- und
MUC-Kernen auch Proben aus der
Wassersäule genommen, um die
Geochemie und die Mikrobiologie
zu analysieren.
„Die Beprobung der Wassersäule
mit In-situ-Pumpen und mit einem
neuen Pump-CTD hat hervorragend
funktioniert. Das Schlauchsystem
des Pump-CTD’s bringt kontinuierlich
Meerwasser aus verschiedenen
Tiefen auf Station direkt ins Labor,
wo online die Chemie analysiert
wird. […] Obwohl die Experimente zu
Denitrifikation, Manganreduktion,
anaerober (?) Ammoniumoxidation
und Sulfidoxidation noch laufen,
gibt es die ersten Ergebnisse aus der
Zonierung in der Wassersäule. Im
zentralen Schwarzen Meer sind in 95
Meter Wassertiefe grüne Schwefelbakterien
vorhanden, die dort als
phototrophe Sulfidoxidierer bei extrem
niedriger Lichtintensität leben.“
Die anaerobe, also ohne Sauerstoff-
Zufuhr erfolgende Ammoniumoxidation
versieht Bo Barker Jørgensen
in seinem Bericht noch mit einem
Fragezeichen. Denn Mikroorganismen,
die in der Lage sind, Ammonium
auch unter sauerstofffreien Bedingungen
zu konsumieren, sind erst
vor wenigen Jahren entdeckt worden
– und zwar in Kläranlagen.
KLÄRANLAGEN – NÄHRBÖDEN
FÜR UNBEKANNTE SPEZIES
Diese so genannten Anammox-
Bakterien setzen Ammonium mithilfe
von Nitrit zu Stickstoff um (anaerobe
Ammonium-Oxidation) und werden
beim Betrieb moderner Kläranlagen
in Zukunft eine wichtige Rolle spielen,
da sie die teuere Belüftung des
Klärwassers ersparen. Weil die Kläranlagen-Bakterien
aber nur sehr
langsam wachsen, nahm man bisher
an, dass sie keine marinen Verwand-
ANAMMOX IM SCHWARZEN MEER
ten hätten, die im Meer eine wesentliche
Rolle spielen könnten. Vielmehr
galt die Nitrifikation oder Denitrifikation
als der einzig relevante Prozess,
der die stickstoffhaltigen Nährstoffe
im Ozean vermindert: Dabei
oxidieren Mikroorganismen zunächst
das Ammonium (NH 4) mit Sauerstoff
(O 2) über Nitrit (NO - 2) zu Nitrat (NO - 3).
Ist kein freier molekularer Sauerstoff
vorhanden, kann das Nitrat anschließend
von heterotrophen Bakterien
benutzt werden, um organisches
Material zu oxidieren. Dabei wird
molekularer Stickstoff (N 2) frei, der
als Gas in die Atmosphäre entweicht.
Diese Freisetzung bezeichnen die
Fachleute als Denitrifikation.
Umfang und Geschwindigkeit, mit
der Stickstoff in Form von Nitrat, Nitrit,
Ammonium und anderen anorganischen
Verbindungen gespeichert
(fixiert) oder umgekehrt als Gas freigesetzt
wird, bestimmen den globalen
Stickstoffhaushalt. Mit der Freisetzung
von gasförmigem Stickstoff
wird dieser als Nährstoff jedoch
unzugänglich – und genau deshalb
hängt der Prozess auch unmittelbar
mit dem Umsatz von Kohlendioxid
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MIKROBEN
Schema der neu entdeckten Stickstoff-Freisetzung im Schwarzen Meer. Zwischen der
sauerstoffreichen Zone (rot) und der Ammonium-Zone (blau) haben sich Nahrungsspezialisten,
die so genannten Anammox-Bakterien (grün), angesiedelt.

FOKUS
Gaute Lavik verstaut das Material für die
Expedition mit dem Forschungsschiff METEOR.
(CO 2) zusammen, das als Treibhausgas
das globale Klima beeinflusst.
Denn die mikroskopisch kleinen
Algen im Meer, die das so genannte
Phytoplankton bilden, benötigen
für ihr Wachstum – ebenso wie die
Pflanzen an Land – stickstoffhaltige
Nahrung, die aber nur sehr begrenzt
verfügbar ist: Je höher also der
Nährstoffgehalt, desto mehr Algen
können wachsen und desto mehr
Kohlendioxid entfernen sie zugleich
aus der Atmosphäre – und zwar mithilfe
der Photosynthese, in deren
Ablauf Kohlendioxid in Form von
Zuckermolekülen gebunden wird.
Auf diese Weise beeinflusst der
Nährstoffgehalt im Ozean indirekt
die Menge an CO 2 und damit das Klima.
Will man die Entwicklung des
Klimas besser verstehen, gilt es also
zunächst den Stickstoffkreislauf im
Ozean zu begreifen.
Nachdem die Bremer Mikrobiologen
wieder festen Boden unter den
Füßen hatten, machten sie sich im
Labor an die Aufarbeitung der Proben
und die detaillierte Auswertung
aller „geernteten“ Daten. In detektivischer
Kleinarbeit gelang es ihnen
tatsächlich eindeutig nachzuweisen,
dass Anammox-Bakterien im
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Schwarzen Meer entscheidend am
Stickstoff-Umsatz mitwirken, und
zwar über anaerobe Ammonium-
Oxidation – bei der Ammonium eben
durch Nitrit, und nicht durch Sauerstoff,
zu gasförmigem Stickstoff oxidiert
wird.
Zunächst war es die Analyse der
Nährstoffverteilung, die Gaute Lavik,
Mitarbeiter in der Abteilung von Bo
Barker Jørgensen, stutzig machte.
Wie erwähnt, sinkt der Sauerstoffgehalt
im Schwarzen Meer mit zunehmender
Wassertiefe – unterhalb
von 80 Metern lässt sich kein Sauerstoff
mehr nachweisen. Doch erst ab
100 Metern Tiefe beginnt der Bereich
mit Ammonium. Also liegen in einer
Zone zwischen 80 und 100 Metern
Tiefe weder Ammonium noch Sauerstoff
vor. Lavik vermutete daher,
dass in diesem Bereich des Schwarzen
Meers der Anammox-Prozess
ablaufen könnte. Mit Isotopen-markierten
Stickstoffverbindungen wies
sein niederländischer Kollege von
der Technischen Universität Delft,
Olav Sliekers, tatsächlich nach, dass
in diesen Tiefen Ammonium mittels
Nitrit zu elementarem Stickstoff abgebaut
wird.
NEUES RÄDCHEN IM
STICKSTOFF-KREISLAUF
Doch die Indizien allein bedeuteten
noch keinen zwingenden Beweis
für die Existenz von Anammox-Bakterien.
Und so begab sich der Biogeochemiker
Marcel Kuypers, ebenfalls
Mitarbeiter des Bremer Max-
Planck-Instituts, auf Spurensuche.
Dabei machte er sich eine Besonderheit
der Annamox-Bakterien zu Nutze:
Bei der anaeroben Ammonium-
Oxidation entstehen hochreaktive
Zwischenprodukte, vor denen sich
die Zelle schützen muss. Die Bakterien
verfügen deshalb in ihrem Inneren
über ein „Anammoxosom“:
einen gesonderten und isolierten Bereich,
in dem der Oxidationsprozess
abläuft. Dieses Anammoxosom enthält
spezielle Membran-Lipide, die
Kuypers aus den Meerwasser-Proben
isolieren konnte – in Proben aus
eben jenem Tiefenbereich, in dem
Isopen-markierte Stickstoffverbindungen
die höchsten Umsatzraten
für den Anammox-Prozess angezeigt
hatten. Mit dem Nachweis dieser typischen
Zellbestandteile durch den
Bremer Forscher war der ultimative
Beweis für die Existenz von Anammox-Bakterien
im Schwarzen Meer
erbracht – der eine Publikation in
der renommierten Zeitschrift NATURE
im Frühjahr 2003 bedeutete.
Aus den in 90 Meter Wassertiefe
lebenden Bakterien isolierten die
Forscher dann weiter die Erbsubstanz
(DNA) und zeigten, dass diese
Organismen nahe Verwandte der erst
kürzlich in Kläranlagen entdeckten
Anammox-Bakterien sind: Tatsächlich
stimmen 98 Prozent der Erbsubstanz
beider Organismen überein.
Auf der Basis der Gensequenz lassen
sich mit Fluoreszenz-Farbstoffen
gekoppelte Oligonukleotide herstellen,
die als Gensonden eingesetzt
werden können. Diese Methode, abgekürzt
FISH (fluorescence in situ
hybridization), erlaubt es den Forschern,
die Bakterien anhand des
Leuchtsignals im Fluoreszenzmikroskop
zu identifizieren: Anammox-
Bakterien, so das Ergebnis, weisen
eine für Bakterien eher untypische
Form auf – sie sehen aus wie kleine
Doughnut-Ringe.
Zählt man die Anammox-Bakterien
in einer Meerwasserprobe (pro
Milliliter sind es an die 2000 Zellen),
dann liefert eine einfache Berechnung,
dass im Schwarzen Meer
genügend Anammox-Bakterien leben,
um den beobachteten Ammonium-Abbau
zu atmosphärischem
Stickstoff zu erklären. Wahrscheinlich
ist Anammox sogar der wichtigste
Abbauprozess für stickstoffhaltige
Nährstoffe im Schwarzen
Meer. Da in den Böden und anderen
nur geringfügig mit Sauerstoff angereicherten
Zonen der Weltmeere
ähnliche Bedingungen wie im
Schwarzen Meer herrschen, vermuten
die Forscher, dass Anammox
auch global von bisher ungeahnter
Bedeutung für den Stickstoffkreislauf
und die damit gekoppelten Umweltbedingungen
ist. CHRISTINA BECK
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