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Sulfat-unabhängige Mikroben beherrschen die tiefe Biosphäre

09.05.2014 - (idw) MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen

Neue Erkenntnisse zum Sulfatverbrauch durch Mikroorganismen im Meeresboden

Ein Team von Wissenschaftlern des MARUM, dem Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen, des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, in Bremerhaven und der Universität Utrecht untersuchte einen wichtigen Teil des globalen Schwefelkreislaufs, die mikrobielle Umwandlung von Sulfat im Meeresboden. Um abschätzen zu können, wie viel Sulfat auf diese Weise weltweit von Bakterien umgesetzt wird, entwickelten sie ein neuartiges Modell. Ihre Ergebnisse weichen stark von vorherigen Abschätzungen ab und werden nun in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Sulfat ist eine anorganische Schwefelverbindung und kommt in allen natürlichen Gewässern vor. Eine Gruppe von Mikroorganismen, sogenannte Sulfatreduzierer, nutzen Sulfat zur Oxidation von organischen Substanzen unter sauerstofffreien Bedingungen und gewinnen mit dessen Veratmung Energie. Sind diese Sulfatatmer am Werk, erkennt man dies oft am Geruch nach faulen Eiern, hervorgerufen durch Schwefelwasserstoff, der bei der Umwandlung als Abfallprodukt entsteht. Ein Großteil des in der Natur vorkommenden Schwefelwasserstoffs wird von Sulfatreduzierern gebildet. Im Meeresboden ist dieser mikrobielle Prozess allgegenwärtig und zudem ein wichtiges Bindeglied zwischen den Kreisläufen des Schwefels und des Kohlenstoffs. Gleichzeitig gilt die Sulfatreduktion als wichtiger Energielieferant für das mikrobielle Leben im Untergrund des Meeresbodens, der sogenannten tiefen Biosphäre.

Welche Mengen an Sulfat jährlich von Mikroorganismen im Meeresboden umgesetzt werden, ist auf globaler Skala sehr schwer abzuschätzen, da sich die Umsatzraten je nach Meeresgebiet stark unterscheiden. Bisherige Annahmen sind sehr grob und lassen diese räumlichen Unterschiede außer Acht. Ziel unserer Studie war es, diese Unterschiede in den marinen Lebensräumen in unsere Berechnungen einfließen zu lassen, um so zu realistischen Werten für die globalen Raten der mikrobiellen Sulfatreduktion zu gelangen, erklärt MARUM-Wissenschaftler Dr. Marshall Bowles. Zusammen mit seinem Kollegen Dr. José Mogollón, vormals am Alfred-Wegener-Institut (AWI), jetzt an der Universität Utrecht, entwickelte er einen neuartigen Ansatz. Für ihr globales Modell zur Vorhersage des Sulfatverbrauchs im Meeresboden werteten die Wissenschaftler insgesamt 199 Datensätze zur Sulfatkonzentration in der Tiefe aus. Die hierzu untersuchten Proben stammen aus verschiedenen Meeresgebieten weltweit und wurden innerhalb des internationalen Bohrprogramms IODP (International Ocean Discovery Program) und seiner Vorgängerprogramme gewonnen. Die üblichen geochemischen Computermodelle halfen uns jedoch nicht weiter, sagt Mogollón. Daher entwickelten wir ein künstliches neuronales Netzwerk, das wir mit einer Reihe von ozeanographischen Daten fütterten. Inspiriert vom Neuronennetz des menschlichen Gehirns werden diese Netze in der Neuroinformatik im Bereich der künstlichen Intelligenz bereits in umfangreichem Maße genutzt. Mehr und mehr finden sie aber auch Anwendung in der Problemlösung in anderen Wissenschaftsbereichen, da sich ein künstliches Netzwerk trainieren lässt und so hinzu lernt.

Anhand der Ergebnisse, die ihnen das künstliche neuronale Netzwerk lieferte, schätzen die Meeresforscher, dass jährlich eine Gigatonne Sulfat umgesetzt werden. Das entspricht etwa 15 Prozent des bislang grob geschätzten Wertes und lässt sich deutlich besser mit unabhängigen Abschätzungen von Akkumulationsraten von organischem Kohlenstoff im Ozeanboden in Einklang bringen. Neben den beiden Hauptautoren waren an der Studie Dr. Sabine Kasten vom AWI und die beiden MARUM-Wissenschaftler Dr. Matthias Zabel und Professor Dr. Kai-Uwe Hinrichs beteiligt.

Durch die Kombination ihrer Erkenntnisse zum Sulfatverbrauch mit Daten zur globalen Verteilung von Mikroorganismen im Meeresboden konnten die Forscher außerdem auf die Mikrobengemeinschaften im Meeresboden und ihre Aktivitäten rückschließen. Die Konzentrationen von Sulfat nehmen im Meeresboden mit der Tiefe ab, und dies hat nachhaltige Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften von Einzellern. Das Team konnte so auf Basis ihres Modells vorhersagen, dass weltweit etwa 50 Prozent aller Zellen in tieferen Schichten des Meeresbodens leben, in denen keine Sulfatatmung mehr stattfindet; an Kontinentalhängen sind es sogar 90 Prozent der Zellen.

Publikation:
Global rates of marine sulfate reduction and implications for subseafloor metabolic activities
Marshall W. Bowles, José M. Mogollón, Sabine Kasten, Matthias Zabel, Kai-Uwe Hinrichs
Erschienen in: Science (Online am 8. Mai 2014) DOI: 10.1126/science.1249213

Weitere Informationen / Interviewanfragen / Bildmaterial:

Jana Stone
MARUM-Öffentlichkeitsarbeit

Tel.: 0421 218 65541
Email: jstone@marum.de

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