17.03.2015 Me­than­quel­len: Oa­sen in der Tief­see

Methanquellen: Oasen in der Tiefsee

Erste globale Studie der mikrobiellen Lebensgemeinschaften an Gasquellen der Tiefsee zeigt die Verbreitung und die Vielfalt Methan zehrender Mikroorganismen. Die außergewöhnliche Energiequelle und die vielen endemischen Mikroorganismen machen diese Ökosysteme zu Oasen in der Tiefsee.

An vie­len Stel­len im Meer tritt Me­than aus dem Mee­res­bo­den aus. Be­son­de­re Mi­kro­or­ga­nis­men nut­zen das po­ten­ti­el­le Treib­haus­gas zur En­er­gie­ge­win­nung und bil­den da­durch die Ba­sis für kom­ple­xe Öko­sys­te­me. Jetzt hat ein in­ter­na­tio­na­les For­scher­team un­ter Lei­tung des Max-Planck-In­sti­tuts für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie die mi­kro­bi­el­le Viel­falt von aus­ge­wähl­ten Me­than­quel­len aus al­len Ozea­nen er­fasst und mit den Le­bens­ge­mein­schaf­ten von an­de­ren ma­ri­nen Öko­sys­te­men ver­gli­chen. In der ak­tu­el­len Aus­ga­be der Fach­zeit­schrift Pro­cee­dings of the Na­tio­nal Aca­de­my of Sci­en­ces (USA) be­rich­ten die For­scher, dass we­ni­ge Ar­ten von me­tha­notro­phen Mi­kro­or­ga­nis­men welt­weit ver­brei­tet sind, die­se aber wohl we­sent­lich den Me­than­um­satz des Oze­ans be­stim­men. Die Le­bens­ge­mein­schaf­ten der Me­than­quel­len un­ter­schei­den sich da­bei stark von de­nen an­de­rer Le­bens­räu­me. Me­than­quel­len ent­hal­ten vie­le en­de­mi­sche Mi­kro­or­ga­nis­men und sind da­her Hot­spots der Bio­di­ver­si­tät in der Tief­see.

Tiefseeökosysteme haben einzigartige Bewohner
Je­des Öko­sys­tem in der Tief­see wird von ganz be­stimm­ten Mi­kro­or­ga­nis­men be­wohnt, die sich den drei Do­mä­nen im Stamm­baum des Le­bens zu­ord­nen las­sen: Eu­ka­ryo­ten, Ar­chae­en und Bak­te­ri­en. Eu­ka­ryo­ten ha­ben ei­nen Zell­kern, zu ih­nen ge­hö­ren alle Pflan­zen, Pil­ze, Tie­re und auch der Mensch. Ar­chae­en und Bak­te­ri­en hin­ge­gen sind win­zi­ge Ein­zel­ler ohne Zell­kern. Die For­scher un­ter­such­ten die Zu­sam­men­set­zung und re­la­ti­ve Häu­fig­keit der Ar­chae­en und Bak­te­ri­en an 77 Stand­or­ten ver­schie­de­ner ma­ri­ner Öko­sys­te­me, dar­un­ter Küs­ten­sedi­men­te, Tief­see­se­di­men­te, schwar­ze Rau­cher und Me­than­quel­len. Sie ent­nah­men das Erb­gut die­ser Or­ga­nis­men aus den Mee­res­bo­den­pro­ben und wer­te­ten die­ses mit Hil­fe mo­der­ner DNA-Se­quen­zie­rungs­ge­rä­ten und ma­the­ma­ti­schen Al­go­rith­men aus.

Emil Ruff, Wis­sen­schaft­ler am Max-Planck-In­sti­tut, fasst zu­sam­men: „Fast alle Groß­grup­pen der Ar­chae­en und Bak­te­ri­en wa­ren an al­len un­ter­such­ten Stand­or­ten vor­han­den. Mit zu­neh­men­der Auf­lö­sung al­ler­dings wur­den die Un­ter­schie­de zwi­schen den Öko­sys­te­men deut­li­cher. Auf Ebe­ne der ein­zel­nen Ar­ten, also den kleins­ten Zwei­gen des Stamm­baums, fan­den wir Le­bens­ge­mein­schaf­ten, die für je­des Öko­sys­tem cha­rak­te­ris­tisch sind und eine ganz be­stimm­te Auf­ga­be ha­ben.“ Die Ge­samt­heit al­ler Mi­kro­or­ga­nis­men ei­nes be­stimm­ten Öko­sys­tems so­wie de­ren ge­ne­ti­sche Viel­falt be­zeich­nen Wis­sen­schaft­ler als des­sen Mi­kro­bi­om. Ein sol­ches Öko­sys­tem kann der mensch­li­che Darm, der Acker­bo­den oder eben die Me­than­quel­le sein. Die Lei­te­rin der For­schungs­grup­pe, Prof. Dr. Ant­je Boe­ti­us, er­gänzt: Die­se Stu­die ist die ers­te um­fas­sen­de Über­sicht über Mi­kro­or­ga­nis­men, die an Me­than­quel­len le­ben. Erst die in­ter­na­tio­na­le Zu­sam­men­ar­beit im Rah­men des In­ter­na­tio­nal Cen­sus of Ma­ri­ne Mi­cro­bes hat dies er­mög­licht.“

Methanquellen beherbergen viele Spezialisten
Na­tür­li­che Me­than­quel­len (kal­te Quel­len, cold seeps) kom­men welt­weit an den Kon­ti­nen­tal­rän­dern vor. Das Gas wird durch Zer­set­zungs­pro­zes­se in den tie­fen sau­er­stoff­frei­en Schich­ten des Se­di­ments ge­bil­det, bahnt sich sei­nen Weg nach oben und tritt dann aus. Die obers­ten Se­di­ment­schich­ten be­her­ber­gen Me­than­oxi­die­rer, die etwa drei Vier­tel des aus­tre­ten­den Me­thans ver­brau­chen. Das ent­spricht 60 Mil­lio­nen Ton­nen Koh­len­stoff pro Jahr. Das aus der Tie­fe stam­men­de Me­than ist eine En­er­gie­quel­le, die sich gänz­lich von de­nen des um­lie­gen­den Mee­res­bo­dens un­ter­schei­det. Des­halb zie­hen Me­than­quel­len wie Oa­sen in der Wüs­te be­son­de­re Or­ga­nis­men an. Dazu ge­hö­ren Grup­pen mit be­kann­ter Funk­ti­on, wie die an­ae­ro­ben me­than­oxi­die­ren­den Ar­chae­en (ANME) und sul­fat­re­du­zie­ren­de Bak­te­ri­en (SRB). Die For­scher fan­den aber auch mi­kro­bi­el­le Grup­pen an den Me­than­quel­len mit bis­her un­be­kann­ter Funk­ti­on.

Emil Ruff, Er­st­au­tor der Stu­die, sagt: „Es war über­ra­schend, dass me­tha­notro­phe Mi­kro­or­ga­nis­men aus Me­than­quel­len, die tau­sen­de Ki­lo­me­ter von­ein­an­der ent­fernt in ver­schie­de­nen Ozea­nen lie­gen, so eng mit­ein­an­der ver­wandt sind. Vie­le Me­than­oxi­die­rer und Sul­fat­re­du­zie­rer sind näm­lich sau­er­stoff­emp­find­lich. Da­her ist es ein Rät­sel, wie sie die gro­ßen Ent­fer­nun­gen zwi­schen den Me­than­quel­len un­be­scha­det über­win­den.“ Die Er­kennt­nis­se der For­scher deu­ten dar­auf hin, dass nur we­ni­ge welt­weit ver­brei­te­te Po­pu­la­tio­nen für den Groß­teil des Me­than­kon­sums ver­ant­wort­lich sind. Die über­wie­gen­de Ar­ten­viel­falt und auch die Bil­dung neu­er Ar­ten ist je­doch lo­kal be­grenzt und nur an ein­zel­nen Stand­or­ten zu fin­den. Me­than­quel­len tra­gen also ei­nen wich­ti­gen Teil zur Bio­di­ver­si­tät der Tief­see bei.

Glo­bal dis­per­si­on and lo­cal di­ver­si­fi­ca­ti­on of the me­tha­ne seep mi­cro­bio­me. Emil Ruff, Jen­ni­fer F. Bidd­le, An­dre­as Tes­ke, Kat­rin Knit­tel, Ant­je Boe­ti­us, Al­ban Ra­met­te PNAS 2015.
DOI: 10.1073/​pnas.1421865112.

Rückfragen an
Emil Ruff, Max-Plank-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie, Bre­men
+49 421 2028 942; eruff@mpi-bre­men.de

oder an den Pres­se­spre­cher

Man­fred Schlös­ser, Max-Plank-In­sti­tut für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie, Bre­men
+49 421 2028 704 mschloes@mpi-bre­men.de