Pro­jek­te

Die Forschung in der Abteilung Biogeochemie konzentriert sich auf mikrobiologische und geochemische Prozesse, die den Kreislauf bioaktiver Elemente in der Meeresumwelt steuern. Wir verwenden geochemische, mikrobiologische, modellierende und molekulare Techniken, sowie Einzellmessungen, um die Umweltregulierung dieser Prozesse und ihre Auswirkungen auf die globalen biogeochemischen Kreisläufe zu untersuchen.

Unser Ziel ist es, grundlegende Einblicke in mikrobiell vermittelte Prozesse im Ozean zu geben, die sich letztendlich auf die Chemie, Biologie und das Klima des Ozeans auswirken und wichtige Beiträge für Modelle zu liefern, die zur Vorhersage potenzieller künftiger Veränderungen infolge menschlicher Aktivitäten verwendet werden können.

Autofluorescence of Dolichospermum
Die Abbildung zeigt Fluoreszenzbilder von Purpurschwefelbakterien im Süßwassersee Cadagno (obere Panele, in Grün und Purpur), sowie deren Einzelzell-Stickstoff-Assimilation, gemessen am nanoSIMS (untere Panele). © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/M. Philippi

Ein­zel­zell-Um­welt­mi­kro­bio­lo­gie

Die über­wie­gen­de Mehr­heit der Bak­te­ri­en in der Um­welt bleibt un­kul­ti­viert. Un­ser Wis­sen über ihre Phy­sio­lo­gie und Stoff­wech­sel­ka­pa­zi­tät hängt da­her stark von Me­tho­den ab, mit de­nen ein­zel­ne Zel­len ana­ly­siert wer­den kön­nen. Die zu­ver­läs­si­ge Iden­ti­fi­zie­rung von zu un­ter­su­chen­den Po­pu­la­tio­nen in Um­welt­pro­ben bleibt eine wich­ti­ge Vor­aus­set­zung für Ana­ly­sen mit mo­der­nen mi­kro­sko­pi­schen und spek­tro­me­tri­schen Tech­ni­ken. Wir ent­wi­ckeln Mar­kie­rungs- und Bild­ge­bungs­me­tho­den, die eine kor­re­la­ti­ve Bild­ge­bung mit Licht-, Io­nen-, La­ser- und Elek­tro­nen­mi­kro­sko­pie er­mög­li­chen, um neue Er­kennt­nis­se über den Bei­trag von Mi­kro­or­ga­nis­men zum Kreis­lauf bio­geo­che­mi­scher Ele­men­te zu ge­win­nen.

 
On deck incubations
Inkubatoren für Stickstofffixierungsexperimente an Bord der R / V Sonne während einer Ausfahrt in den Südpazifik. © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

N2 Fi­xie­rung

Die mi­kro­bi­el­le Fi­xie­rung von N2-Gas in bio­lo­gisch ver­füg­ba­rem Am­mo­ni­um ist die Haupt­quel­le für Stick­stoff im of­fe­nen Oze­an. Die N2-Fi­xie­rung wird nur von ei­ner klei­nen, aber viel­fäl­ti­gen Grup­pe pro­ka­ryo­ti­scher Mi­kro­or­ga­nis­men ka­ta­ly­siert. Im of­fe­nen Oze­an wird der größ­te Teil der N2-Fi­xie­rung auf grö­ße­re Po­pu­la­tio­nen ko­lo­nia­ler und he­te­ro­zy­s­tö­ser Cya­no­bak­te­ri­en zu­rück­ge­führt. Es gibt je­doch auch an­de­re ein­zel­li­ge N-fi­xie­ren­de Mi­kro­or­ga­nis­men, und es wird an­ge­nom­men, dass die Ak­ti­vi­tät die­ser an­de­ren N2-fi­xie­ren­den Po­pu­la­tio­nen zum Aus­gleich des N-Bud­gets bei­trägt. Wir wis­sen je­doch we­nig über ihre Ver­brei­tung und Ak­ti­vi­tät.

 
LanceALot
Einsatz des benthischen Observarium 'LanceALot' auf Elba um den biogeochemischen Kreislauf in Sanden zu untersuchen. © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Per­me­able San­di­ge Se­di­men­te

Per­me­able Se­di­men­te do­mi­nie­ren den Mee­res­bo­den der Kon­ti­nen­tal­schel­fe und ge­hö­ren den­noch zu den am we­nigs­ten un­ter­such­ten Le­bens­räu­men in un­se­ren Ozea­nen. Per­me­able Se­di­men­te wir­ken als Bio­ka­ta­ly­sa­tor für die Mi­ne­ra­li­sie­rung or­ga­ni­scher Sub­stan­zen und den Stick­stoff­um­satz, die bei­de durch ei­nen Po­ren­was­ser­fluss an­ge­trie­ben wer­den. Mit Hil­fe ei­nes neu­en bent­hi­schen Ob­ser­va­to­ri­ums und Durch­fluss­re­ak­to­ren mes­sen wir die Sau­er­stoff­auf­nah­me und den Stick­stoff­ver­lust so­wohl in in­terti­dal- als auch in sub­ti­da­len Se­di­men­ten des Wat­ten­mee­res und der Deut­schen Bucht.

 
CTD Rosette
Ein CTD-Kranzwasserschöpfer wird während einer Ausfahrt des Forschungsschiffes Discovery zu der SMZ im Östlichen Tropischen Nordpazifik in das Wasser heruntergelassen © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/L.A. Bristow

Ver­lust von Stick­stoff aus Sau­er­stoff­mi­ni­m­um­zo­nen (SMZ)

Welt­weit ver­gö­ßern sich die Sau­er­stoff­mi­ni­m­um­zo­nen (SMZ), und sie sind der­zeit für etwa 40% des Stick­stoff­ver­lusts aus dem Oze­an ver­ant­wort­lich. Für Jahr­zehn­te schrieb man den Stick­stoff­ver­lust aus­schließ­lich der he­te­ro­tro­phen De­ni­tri­fi­ka­ti­on zu. Mit­hil­fe der Kom­bi­na­ti­on von mo­le­ku­la­ren Me­tho­den und In­ku­ba­ti­ons­ex­pe­ri­men­ten ha­ben wir ge­zeigt, dass statt­des­sen die an­ae­ro­be Am­mo­ni­um­oxi­da­ti­on (Anam­m­ox) den we­sent­li­chen Ver­lust von Stick­stoff aus den SMZ vor Na­mi­bia, Peru und im Ara­bi­schen Meer aus­macht. Al­ler­dings er­lau­ben die sub­oxi­schen Be­din­gun­gen der SMZ das Auf­tre­ten von an­ae­ro­ben so­wie ae­ro­ben Pro­zes­sen, und trotz ih­rer Wich­tig­keit, sind Um­fang und Wech­sel­wir­kun­gen die­ser Pro­zes­se nicht wohl ver­stan­den.

 
Diatom and bacterial aggregate
Ein Aggregat aus runden und länglichen Kieselalgen und verschiedenen Bakterien, gesammelt in der Sauerstoffgrenzzone des Süßwassersees Cadagno © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Ma­ri­ne Snow und sin­ken­de Par­ti­kel

Das Ab­sin­ken von Ag­gre­ga­ten und die Re­mi­ne­ra­li­sie­rung kon­trol­lie­ren den senk­rech­ten Fluss von or­ga­ni­scher Ma­te­rie im Oze­an und neh­men di­rek­ten Ein­fluss auf Stoff­kreis­läu­fe und Nah­rungs­net­ze. Die­se Pro­zes­se stel­len ei­nen wich­ti­gen Fak­tor für die Re­ak­ti­on des Oze­ans auf den Kli­ma­wan­del dar. Sin­ken­de Mee­res­ag­gre­ga­te sind der Haupt­trans­por­teur von or­ga­ni­schem Koh­len­stoff aus der Ober­flä­che in die Tief­see und sind Hot­spots für mi­kro­bi­ell durch­ge­führ­te Pro­zes­se der bio­ak­ti­ven Stoff­kreis­läu­fe. Die Re­mi­ne­ra­li­sie­rung von sin­ken­der, par­ti­ku­lä­rer or­ga­ni­scher Ma­te­rie (POM) trägt zu­dem zu der Ent­ste­hung von Sau­er­stoff­mi­ni­m­um­zo­nen (SMZ) bei.

 
Filamentous methane-oxidizing bacteria
Fluoreszenzbild von methanoxidierenden Bakterien (in Grün) und verschiedenen anderen Mikroorganismen (in Blau) aus einem Süßwassersee © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Me­than­oxi­da­ti­on

Ob­wohl der Oze­an den größ­ten Teil der Erd­ober­flä­che be­deckt, sind Me­tha­n­emis­sio­nen des Oze­ans ver­hält­nis­mä­ßig ge­ring. Im Ge­gen­satz dazu sind aqua­ti­sche Sys­te­me auf dem Land be­deu­ten­de Quel­len von Me­than, da­bei ma­chen Süß­was­ser­se­en bis zu 16% aus. Me­than­nut­zen­de Mi­kro­or­ga­nis­men spie­len eine Schlüs­sel­rol­le in der Re­du­zie­rung von Me­than­flüs­sen in oxi­schen so­wie an­oxi­schen aqua­ti­schen Sys­te­men. Bak­te­ri­en und Ar­chae­en be­sit­zen bei­de die Fä­hig­keit, Me­than zu oxi­die­ren. Es ist be­kannt, dass an­ae­ro­be Pro­zes­se der Me­than­oxi­da­ti­on ei­nen sehr wirk­sa­men Me­than­fil­ter in Mee­res­ge­bie­ten dar­stel­len. Die gan­ze Kom­ple­xi­tät von Pro­zes­sen der Me­tha­nent­fer­nung in lim­ni­schen Um­ge­bun­gen ist im Ge­gen­satz dazu nicht be­kannt, eben­so we­nig wie die me­than­nut­zen­den Schlüs­sel­fi­gu­ren der mi­kro­bi­el­len Ge­mein­schaft.

 
Filamentous methane-oxidizing bacteria
Fluoreszenzbild von AOA (in Grün, links) und Nitrospinae (in Grün, rechts), sowie verschiedenen anderen Mikroorganismen (in Blau) in einer Wasserprobe aus dem Golf von Mexiko © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/K. Kitzinger

Ammoniak und Nitrit Oxidation

Ni­tri­fi­ka­ti­on, die Oxi­da­ti­on von Am­mo­ni­ak zu Ni­trat über Ni­trit, ist ein Schlüs­sel­pro­zess im glo­ba­len Stick­stoff (N)-Kreis­lauf, und als Er­geb­nis der aus­ge­wo­ge­nen Am­mo­ni­ak- und Ni­trit-Oxi­da­ti­ons­ra­ten ist Ni­trat die wich­tigs­te bio­lo­gisch ver­füg­ba­re an­or­ga­ni­sche N-Ver­bin­dung im Oze­an. Die Am­mo­ni­ak Oxi­da­ti­on wird von Am­mo­ni­ak-oxi­die­ren­den Ar­chae­en (AOA) aus­ge­führt, die zu den häu­figs­ten Or­ga­nis­men der Welt ge­hö­ren, ob­wohl sie auf den li­mi­tie­ren­den Nähr­stoff Am­mo­ni­um an­ge­wie­sen sind. Wir un­ter­su­chen, wie me­ta­bo­li­sche Viel­sei­tig­keit und die Nut­zung or­ga­ni­scher N-Quel­len zum öko­lo­gi­schen Er­folg der AOA bei­tra­gen. Das Ge­gen­stück zu den AOA, Ni­trit-oxi­die­ren­de Bak­te­ri­en des Phyl­ums Ni­tro­s­pi­nae, sind da­ge­gen sehr sel­ten. Wir un­ter­su­chen, wie Un­ter­schie­de in En­er­gie­aus­beu­te, Wachs­tum und Sterb­lich­keits­ra­te zwi­schen AOA und Ni­tro­s­pi­nae die Häu­fig­keit die­ser Mi­kro­or­ga­nis­men im Oze­an be­stim­men.

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