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Kohlenstofffluss von Phytoplankton

Das große grüne Fressen: Wie Bakterien nach Algenblüten aufräumen

| Autor/ Redakteur: Dr. Fanni Aspetsberger* / Christian Lüttmann

Zur Algenblüte wechselt das Meer in großen Arealen die Farbe. Gewaltige grüne Teppiche aus Phytoplankton überziehen dann die zuvor blauen Ozeane. Nach der Blütezeit übernehmen Bakterien die Aufräumarbeiten der abgestorbenen Algen. Wie dieser Abbauprozess verläuft, haben nun Forscher des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie näher untersucht.

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Sattelitenaufnahme der Algenblüte im Oktober 2011, aufgenommen über dem Eriesee in Noramerika (Symbolbild)
Sattelitenaufnahme der Algenblüte im Oktober 2011, aufgenommen über dem Eriesee in Noramerika (Symbolbild)
(Bild: NASA)

Bremen – Algenblüten sorgen regelmäßig für schöne, verwirbelte Satellitenbilder von Seen und Ozeanen. Ab und an hört man auch von Ansammlungen giftiger Algen, die Fische, Menschen und andere Tiere gefährden. Weniger bekannt ist, was für eine bedeutende Rolle sie im globalen Kohlenstoffkreislauf spielen. Dort können sie als natürliche Senke für das Treibhausgas Kohlendioxid fungieren.

Algen als Schwamm für CO2

Algen nehmen Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre auf und verwandeln den Kohlenstoff in Biomasse. Den enthaltenen Sauerstoff geben sie wieder an die Atmosphäre ab. Während einer Phytoplanktonblüte führt das schnelle Algenwachstum zu einem massiven Transfer von Kohlendioxid in die Biomasse der Algen. Aber was passiert danach mit dem Kohlenstoff?

„Sobald die Algen sterben, wird der Kohlenstoff von Mikroorganismen, die die Algenreste nutzen, remineralisiert. Dadurch gelangt er wiederum als Kohlendioxid in die Atmosphäre. Sinken die toten Algen hingegen auf den Meeresgrund, wird die organische Substanz im Sediment vergraben, manchmal für sehr lange Zeit“, erklärt Erstautorin Karen Krüger vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. „Die Vorgänge hinter der Remineralisierung des Algenkohlenstoffs sind noch nicht vollständig verstanden.“

Eine aktuelle Studie von Forschern des Max-Planck-Instituts (MPI) für Marine Mikrobiologie in Bremen liefert nun neue Erkenntnisse über den Kohlenstofffluss in Algenblüten. Krüger und ihre Kollegen untersuchten dazu Mikroorganismen während der Frühjahrsalgenblüte in der Nordsee bei Helgoland. Besonderes Augenmerk legten sie auf die bakterielle Nutzung von Polysacchariden. Diese Zucker machen einen wesentlichen Teil der Algenbiomasse aus.

Genetische Analysen offenbaren Nahrungsvorlieben

Helgoland ist Deutschlands einzige echte Hochseeinsel, bekannt eher für Seevögel, Robben und zollfreies Einkaufen als für winzige Algen. Aber was die MPI-Wissenschaftler interessierte, war das Schicksal der organischen Substanz nach dem Tod der Algen.
Helgoland ist Deutschlands einzige echte Hochseeinsel, bekannt eher für Seevögel, Robben und zollfreies Einkaufen als für winzige Algen. Aber was die MPI-Wissenschaftler interessierte, war das Schicksal der organischen Substanz nach dem Tod der Algen.
(Bild: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Naomi Esken)

Gemeinsam mit Forschern vom Max-Planck-Institut, der Universität Greifswald und dem DOE Joint Genome Institute in Kalifornien führte Krüger eine metagenomische Analyse eines speziellen Bakterienstammes durch: Bacteroidetes. Dieser Stamm ist dafür bekannt, viele Polysaccharide zu konsumieren.

Die Forscher untersuchten in den Bakterien bestimmte Gencluster, so genannte polysaccharide utilisation loci oder PULs, die charakteristisch für ein ausgewähltes Polysaccharidsubstrat sind. Die Idee dabei: Wenn ein Bakterium einen bestimmten PUL enthält, lässt das vermuten, dass es sich von dem entsprechenden Algenzucker ernährt. So kann man von der Genanalyse der Bakterien auf deren Fähigkeit zur Algenzersetzung schließen.

Weniger Vielfalt als angenommen

„Anders als erwartet war die Vielfalt der wichtigen PULs ziemlich gering“, berichtet Krüger. Die Bakterien konzentrierten sich im Großen und Ganzen auf fünf wichtige Klassen von Polysacchariden. Die fünf hauptsächlich gefundenen Algen-Zucker waren:

  • Beta-Glucane (wie Laminarin, der wichtigste Speicherstoff von Kieselalgen)
  • Alpha-Glucane (wie Stärke und Glykogen, ebenfalls Speicherstoffe von Algen und Bakterien)
  • Mannane (Bestandteile der Algenzellwand)
  • Xylane (ebenfalls Bestandteile der Algenzellwand)
  • Alginate (vielen bekannt als schleimige Substanz bei Braunalgen).

Von diesen fünf Substraten waren zwei (Alpha- und Beta-Glucane) besonders zahlreich. Die wichtigsten Polysaccharidsubstrate, die von den sterbenden Algen freigesetzt wurden, bestanden also aus nur wenigen Grundbestandteilen.

„Angesichts dessen, wie vielfältig Algen und Bakterien sind und wie komplex Polysaccharide sein können, waren wir recht überrascht, ein so begrenztes Spektrum an PULs zu finden, und das in vergleichsweise wenigen Bakteriengruppen“, kommentiert Mitautor Ben Francis vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in einem begleitenden Text. „Das war besonders unerwartet, weil frühere Studien etwas anderes nahelegten. Eine Analyse von mehr als 50 Bakterienisolaten – also Bakterien, die auch im Labor wachsen –, die unsere Arbeitsgruppe im gleichen Gebiet durchgeführt hat, ergab eine viel größere Vielfalt an PULs“, ergänzt Francis.

Der Abbau der Algenblüte im zeitlichen Verlauf

Im Verlauf der Algenblüte beobachteten die Wissenschaftler ein klares Muster: Am Beginn der Blüte dominierten weniger und einfachere Polysaccharide, während im späteren Verlauf komplexere Polysaccharide verfügbar wurden. Das liegt vermutlich an zwei Faktoren, wie Francis erklärt: „Erstens bevorzugen die Bakterien normalerweise leicht-abbaubare Substrate wie einfache Speicherstoffe gegenüber biochemisch anspruchsvolleren Substraten. Zweitens werden im Verlauf der Blüte, wenn immer mehr Algen sterben, immer komplexere Polysaccharide verfügbar.“

Insgesamt liefert die Studie neue Einblicke in die Dynamik einer Phytoplanktonblüte und ihrer Protagonisten und trägt zu einem besseren Verständnis des Kohlenstoffflusses während einer Algenblüte ist bei. „Als nächstes wollen wir uns genauer mit den dahinterliegenden Prozessen beschäftigen“, sagt Krüger. „Außerdem wollen wir herausfinden, wie der Abbau von Polysacchariden in Lebensräumen mit anderen Kohlenstoffquellen, zum Beispiel der Arktis oder dem Sediment, abläuft.“

Originalpublikation: Karen Krüger, Meghan Chafee, T. Ben Francis, Tijana Glavina del Rio, Dörte Becher, Thomas Schweder, Rudolf I. Amann, Hanno Teeling: In marine Bacteroidetes the bulk of glycan degradation during algae blooms is mediated by few clades using a restricted set of genes, The ISME Journal (2019); DOI: 10.1038/s41396-019-0476-y

* Dr. F. Aspetsberger: MPI für Marine Mikrobiologie, 28359 Bremen

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