Nicht nur zur Hochsaison: Bakterien im Meeresboden der Arktis sind das ganze Jahr aktiv

15.02.2024

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

Bremer Forschende untersuchten die Zusammensetzung und Funktion der Bakterien im Meeresboden vor Spitzbergen im Wechsel von Polarnacht und Mitternachtssonne. Dazu nutzten sie ein eigens entwickeltes Probennahmegerät, den Ellrott-Greifer. Anders als im darüberliegenden Wasser verändern sich die Bakterien im Sediment im Wandel der Jahreszeiten kaum. Das liegt vermutlich daran, dass manche schwer verdauliche Nahrungsmittel dort das ganze Jahr über verfügbar sind.

Mit der MS Farm beprobten die Bremer Forschenden mehrfach und zu verschiedenen Jahreszeiten den Meeresboden rund um Spitzbergen. (© F. Aspetsberger/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)

Die Arktis ist kalt und lebensfeindlich und dennoch Heimat einer Vielzahl von Mikroorganismen, deren Aktivität das Leben auf unserem Planeten maßgeblich mitbestimmt. So spielen beispielsweise Bakterien im Meeresboden eine zentrale Rolle dabei, Biomasse abgestorbener Organismen weiterzuverarbeiten. Dabei entstehen aus dem enthaltenen Kohlenstoff schwer abbaubare Substanzen, die für lange Zeit im Boden gespeichert bleiben können.

Neben der Kälte ist die ungewöhnliche Saisonalität ein auffälliges Merkmal polarer Lebensräume – Tag und Nacht wechseln hier nicht alle zwölf Stunden, sondern schwankt das gesamte Jahr zwischen Mitternachtssonne und Polarnacht. Das beeinflusst massiv die örtliche Primärproduktion, die auf Sonnenlicht angewiesen ist. Im Sommer sprießen winzige Algen im Meerwasser, und auch das Leben an Land blüht auf. Im Winter kommt die Primärproduktion weitgehend zum Erliegen. Inwieweit der dadurch stark schwankende Eintrag an organischem Material die Bakterien im Meeresboden beeinflusst, ist kaum erforscht.

Um diese Wissenslücke zu verkleinern, hat ein Team von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen zu verschiedenen Jahreszeiten Forschungsreisen zur Inselgruppe Svalbard unternommen und die Bakteriengemeinschaft im dortigen Meeresboden untersucht. Ihre Ergebnisse präsentieren sie nun im Fachjournal The ISME Journal.

Die Enzyme verändern sich mehr als die Bakterien

Überraschenderweise verhält sich die Bakteriengemeinschaft im Meeresboden anders als es die Umweltbedingungen erwarten ließen. „Obwohl der Input an organischem Material und deren Umsatzraten im Laufe des Jahres sehr stark schwanken, verändert sich die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft auf den ersten Blick kaum“, berichtet Studienleiterin Katrin Knittel. Bakterien im Meeresboden verhalten sich damit ganz anders als die im Wasser, wo viele von ihnen eine ausgeprägte Saisonalität zeigen. „Benthische Bakteriengemeinschaften – also jene im Meeresboden – sind sehr komplex“, fügt Knittel hinzu. „Das macht sie so stabil und robust; und für uns macht es das sehr schwer, ihre Dynamiken zu erforschen.“

Um dieses unerwartete Verhalten besser zu verstehen, untersuchten Knittel und ihr Team vom Bremer Max-Planck-Institut nun die sogenannte funktionale Vielfalt der Bakterien. Wie sehr verändert sich zwischen Mitternachtssonne und Polarnacht, was die Bakterien auf dem Meeresboden tun? Dazu schauten sie sich an, welche Gene zum Abbau von Algenzuckern die Bakterien besitzen und inwieweit sie diese nutzen. „Während die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft sich zwischen den Jahreszeiten kaum unterscheidet, stellten wir fest, dass sich die Genexpression kohlenhydrat-abbauender Enzyme zwischen Winter und Frühling verändert“, erklärt Erstautor Sebastian Miksch, der im Rahmen seiner Doktorarbeit in dem Projekt forschte. Im Winter überwiegen Enzyme, die α-Glucane (z. B. Glykogen) abbauen. Die α-Glucane sind intrazelluläre Speicherstoffe von heterotrophen Bakterien, Tieren und Pilzen. Es gibt sie auch im restlichen Jahr, sie sind dann aber weniger wichtig. Im Frühjahr hingegen findet man mehr Enzyme, die β-Glucane, wie den Algenbestandteil Laminarin, abbauen. Dann sind sogar so viele β-Glucane vorhanden, dass vermutlich ein Teil davon als Reserve für später im Jahr zur Seite gelegt wird. „Die Enzyme spiegeln wider, welche Algenbestandteile – dabei vor allem Algenzucker – den Bakterien in den verschiedenen Jahreszeiten zur Verfügung stehen“, erläutert Knittel. „Es ist nicht so anders, als wenn man bei uns auf den Markt geht: Während zur sonnigen Jahreszeit viel verschiedenes frisches Obst und Gemüse verfügbar ist, bleiben im Laufe des Winters irgendwann nur die eingelagerten Kartoffeln übrig.“

Die Bakterien im Meeresboden können also frisches Material nutzen, das insbesondere im Frühjahr und Sommer aus der Wassersäule herabsinkt, beispielsweise das bereits erwähnte Laminarin. Sie können aber ebenso jenes Material verzehren, das im Meeresboden bereits vorhanden ist oder dort produziert wird. Dazu gehören echte Leckereien wie Mucin, aber auch zähe Brocken wie Chitin. Daran knabbern die Bakterien das ganze Jahr über. Besonders wichtig ist diese Nahrungsquelle im Winter, wenn andere Einträge fehlen. Die langfristige Verfügbarkeit dieser Substanzen im Meeresboden stabilisiert insgesamt die dortige Bakteriengemeinschaft.

„Diese Ergebnisse spielen sich auf sehr kleinen Maßstäben ab, aber sie sind in einem großen Kontext wichtig: Wenn die Bakterien die Algenzucker konsumieren, setzen sie Kohlendioxid frei. Und Kohlendioxid ist ein sehr wichtiges Treibhausgas“, fügt Knittel hinzu. So können die winzigen Meeresbewohner Einfluss auf globale Prozesse nehmen.

Klein, leicht, praktisch: der Ellrott-Greifer

Greifer Collage — Der eigens entwickelte Ellrott-Greifer ist klein und leicht und kann unkompliziert auch an Bord von kleinen Schiffen – wie hier der MS Farm – gehandhabt werden. Chyrene Moncada holt das Gerät an Bord (© F. Aspetsberger/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie), Entwickler und Namensgeber Andreas Ellrott mit dem Greifer (© K. Knittel/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie).

Insgesamt ist die Bakteriengemeinschaft im arktischen Meeresboden im Wandel der Jahreszeiten also erstaunlich gleichförmig. Trotz der starken Saisonalität ist sie in beiden Jahreszeiten anwesend und aktiv.

Doch nicht nur die innere Dynamik machte es den Forschenden um Knittel schwer, die Bakterien in Spitzbergens Meeresboden zu untersuchen. Auch methodisch ist das nicht einfach. „Es ist sehr schwer, ungestörte Proben des Meeresbodens und des zwischen den Sandkörnern enthaltenen Porenwassers zu bekommen“, erklärt die Doktorandin Chyrene Moncada, die ebenfalls in dem Projekt arbeitet. „Deswegen haben wir ein eigenes Gerät entwickelt: den Ellrott-Greifer“. Diese Probennahmegerät, vorgestellt in der Zeitschrift Limnology and Oceanography: Methods und benannt nach seinem Entwickler und Mitautor Andreas Ellrott, erlaubt es, Bodenproben aus sandigen Sedimenten zu nehmen, ohne diese dabei durcheinanderzubringen. Außerdem ist der Greifer so klein und leicht, dass er auch auf kleinen Forschungsschiffen perfekt einsetzbar ist. „Andreas ist ein brillanter Ingenieur und hat den Greifer von Grund auf neu entwickelt und gebaut und viele Bestandteile selbst im 3D-Drucker hergestellt“, so Moncada. „Bis heute haben wir schon über 100 Sedimentproben aus dem Wattenmeer und den Fjorden von Svalbard mit dem Ellrott-Greifer gesammelt – und wir planen noch viele weitere Probennahmen!“

Originalveröffentlichung

Sebastian Miksch, Luis H. Orellana, Monike Oggerin de Orube, Silvia Vidal-Melgosa, Vipul Solanki, Jan-Hendrik Hehemann, Rudolf Amann, Katrin Knittel (2024): Taxonomic and functional stability overrules seasonality in polar benthic microbiomes, The ISME Journal, 2024, 18(1), 1–14.
DOI: 10.1093/ismejo/wrad005

Chyrene Moncada, Andreas Ellrott, Dirk de Beer, Rudolf Amann, Katrin Knittel (2024): The Ellrott grab: A small, lightweight sediment sampler for collecting undisturbed sandy sediments. Limnology and Oceanography: Methods.
DOI: 10.1002/lom3.10598