Thema der Doktorarbeit

Die Biogeochemie von Meer- und Süßwassersedimenten sind in der Regel durch vertikale Gradienten von Elektronen-abgebenden Substanzen (Elektronendonatoren) und Elektronen-aufnehmenden Substanzen (Elektronenakzeptoren) sowie Sauerstoff-reichen und -armen Zonen gekennzeichnet (Abbildung 1).

Die Sedimentschichten werden hauptsächlich durch die bakterielle Umsetzung von organischen Material geformt, einfacher gesagt durch die verschieden Nahrungsvorlieben und -aufnahmen der unterschiedlichen Bakterien. Während des Umsetzungsprozesses werden die verschiedenen Elektronenakzeptoren in einer typischen Reihenfolge verbraucht. Der Abbau von organischen Verbindungen mit Sauerstoff liefert die höchste Energiemenge und daher wird Sauerstoff typischerweise zuerst verbraucht, gefolgt von Nitrat, Eisen(III) und schließlich Kohlendioxid (CO₂). Doch Wellenbewegungen und biologische Aktivitäten von Sedimentwürmern durchmischen diese Sedimentstrukturen, weshalb die geochemischen Zonen in der Natur nicht immer klar getrennt sind und sich oft überschneiden.

Eisen (Fe) ist nach Sauerstoff (O₂), Silizium und Aluminium eines der häufigsten Elemente auf der Erde. Es ist ein biologisch essentieller Nährstoff für fast alle lebenden Organismen, da es an einer Vielzahl metabolischer und chemischer Prozesse beteiligt ist. Dabei befindet sich das Eisen typischerweise im Zentrum von Enzymen, sowohl bei Bakterien als auch in Pflanzen und Tieren.

Eisenbakterien sind umgangssprachlich Bakterien, die die Fähigkeiten besitzen Eisenminerale zu verstoffwechseln oder Eisenminerale herzustellen und daher gelbbraunrot gefärbt sind. Um Energie für Zellprozesse und Wachstum zu gewinnen, wandeln diese Bakterien Eisen zwischen seinen zwei Stufen Eisen(II) und Eisen(III) um (Abbildung 2). Einige Bakterien (Eisen(II)-oxidierende Bakterien) verwandeln Eisen(II) zu Eisen(III), welches sofort Eisenminerale formt. Der entgegengesetzte Prozess, die Reduktion von Eisen(III) zu Eisen(II), wird von Eisen(III)-reduzierenden Bakterien ausgeführt. Eisenbakterien sind in der Natur weit verbreitet, leben in Meeres- und Süßwasserlebensräumen eng zusammen und tragen dabei zu biogeochemischen Stoffkreisläufen bei.

Zu Beginn meines Promotionsprojekts war die natürliche Verteilung der aktiven Eisenbakterien in küstennahen Sedimenten unbekannt. Meine Dissertation behandelt die Vielfalt, das Vorkommen, die Verteilung und die Aktivität von Eisen(II)-oxidierenden und Eisen(III)-reduzierenden Bakterien in repräsentativen Küstensedimenten. Dabei habe ich Süßwassersedimente vom Bodensee (Süddeutschland) und marine Küstensedimente aus der Aarhusbucht in Dänemark untersucht. Die bakterielle Gemeinschaft wurde an der Sauerstoff-reichen und Sauerstoff-armen Schnittstelle der oberen Sedimentzonen charakterisiert (siehe Abbildung 1). Geochemische Profile von Eisen, Sauerstoff, Nitrat und Licht zeigten eine spezifische Schichtung der untersuchten Sedimente. Diese Sedimentschichtung konnte 75-85% der vertikalen Verteilung aller Sedimentbakterien erklären (Abbildung 3). Daher wurde ebenfalls eine solche Verteilung für die Gruppe der Eisenbakterien erwartet (Abbildung 3). Stattdessen zeigte sich in den untersuchten Sedimenttiefen (0-3 cm) eine gleichmäßige Verteilung der aktiven Eisenbakterien, was bedeutet, dass sich die aktiven Eisenbakterien nicht anhand von geochemischen Gradienten und deren „Nahrungsmittel“-zonen orientieren.

Dieses Verhalten kann so erklärt werden, dass die Eisenbakterien i) durch äußere physikalische Einflüsse wie Wurmaktivitäten oder Wellenbewegungen durchmischt wurden (Abbildung 4), ii) sich in einen Schlafzustand versetzen können und so lange „schlafen“ bis sich bessere Bedingungen bieten, iii) sich flexibel hin- und her bewegen können,  iv) sich in mit Sauerstoff oder Nitrat gefüllten Mikronischen in den Sedimenten aufhalten, v) sich unterschiedlich ernähren können, also verschiedene Substanzen „essen“ können (metabolische Flexibilität), oder vi) mit den erst kürzlich entdeckten sogenannten Kabelbakterien interagieren (Abbildung 4).

Die Forscher um Prof. Pfeffer haben 2010 die ungewöhnlichen multizellulären Mikrobenfäden entdeckt. Kabelbakterien sind in der Lage Elektronen über weite Strecken in Sedimenten zu transportieren und funktionieren wirklich wie elektrische Kabel! In meiner Dissertation konnte ich erstmals zeigen, dass Kabelbakterien und Eisenbakterien in denselben Sedimentschichten aktiv sind und die Kabelbakterien einen möglichen Einfluss auf den Eisenkreislauf haben. Das bedeutet im Detail: die Eisen(II)-oxidierenden Bakterien können damit Elektronen an die Kabelbakterien abgeben und die Eisen(III)-reduzierenden Bakterien könnten mithilfe der Kabelbakterien als „Elektronen-Tankstelle“ Elektronen aufnehmen (Abbildung 5).

Eisenbakterien könnten damit, im Gegensatz zu anderen Bakterien in der Sedimentgemeinschaft, unabhängig von ihrer notwendigen „Nahrung“ wie Sauerstoff, Nitrat und Eisen in allen Sedimentschichten überleben! Damit könnte die außergewöhnliche Zusammenarbeit von Kabelbakterien und Eisenbakterien das besondere Verteilungsmuster der Eisenbakterien in den untersuchten Küstensedimenten erklären (Abbildung 4). Zu diesem Elektronenaustausch an der „Kabelbakterien-Tankstelle“ passt die Metapher der „elektronischen Musik“. Die „elektrogene“ Bakteriengesellschaft kann somit als „Elektroband“ verstanden werden. Begriffe wie Elektro, Hard Rock und Heavy Metal bekommen damit im Anblick dieser mikrobiellen Freundschaft von „rockigen“ Eisenbakterien und besonderer „elektrogener Verknüpfung“ zu Kabelbakterien eine ganz neue Bedeutung.

Darüber hinaus können Kabelbakterien in - Abwesenheit von Sauerstoff - Nitrat nutzen und somit auch einen Beitrag zur N₂O Produktion leisten. Das homogene Verteilungsmuster der Kabelbakterien und Eisenbakterien hat damit auch einen großen Einfluss auf die umgebene Geochemie des Küstensediments.

Damit nun zurück zum Klimawandel. Kabelbakterien, Nitrat-abbauende Eisenbakterien und andere Mikroorganismen leisten alle einen Beitrag zum Abbau von Nitrat. Nitrat gelangt auch durch Düngemittel oder andere landwirtschaftliche Zusätze auf die Felder und wird schließlich in die naheliegenden Küstenregionen gespült. Damit spielen viele Bakterien, die Nitrat zu Nitrit umwandeln können, eine große Rolle im Stickstoffkreislauf. Neben den erwähnten bakteriellen Gruppen sind auch geochemische (abiotische) Prozesse am Eisenkreislauf beteiligt (Abbildung 2, Abbildung 6). Die Reaktion von Eisen(II) und reaktiven Nitrit kann zu einer abiotischen Produktion des Treibhausgases N₂O führen (Abbildung 2).

Neben der bakteriellen Denitrifikation ist der geochemische Abbau von Nitrit durch Eisen(II) (Chemodenitrifikation) eine potenziell weitere wichtige N₂O Quelle in Küstensedimenten. Der Beitrag der Chemodenitrifikation zum globalen N₂O-Budget war bis jetzt unbekannt. In meiner Dissertation konnte ich die N₂O-Bildung in natürlichem (bakteriell + geochemisch aktiv) und sterilem (nur geochemisch aktiv) Küstensediment aus Dänemark bestimmen. Der Vergleich von natürlichem und sterilem Sediment ergab, dass eine bemerkenswerte Menge von mindestens 15-25% der gesamten N₂O-Bildung durch Chemodenitrifikation verursacht wurde, während 75-85% des gesamten entstandenen N₂O Konzentration durch Denitrifikation und andere bakterielle Prozesse gebildet wurden.

Die Ergebnisse meiner Doktorarbeit deuten also darauf hin, dass der Prozess der Chemodenitrifikation durch Eisen(II) wesentlich zur globalen N₂O-Bildung beitragen kann und auch die Bakteriengemeinschaft in marinen Sedimenten erheblich beeinflusst. Die Daten liefern neue Informationen darüber, wie die Erde durch zukünftige Veränderungen z.B. durch Düngemitteleinflüsse, Treibhausgasbildung von N₂O und daraus resultierende Klimawandel verändert werden könnte.