Ökosystem auf Plastikteilchen in Ozeanen untersucht Überleben in der Plastisphäre

Die Plastikverschmutzung ist ein globales Problem: Sie beschädigt Ökosysteme, gefährdet Tiere und kann in Form von Nanoplastik auch Folgen für die Gesundheit des Menschen haben. Doch Plastik ist auch zu einem neuen Lebensraum für Bakterien, Viren, Pilze und Algen geworden. Welche ökologische Bedeutung hat diese Plastisphere für die natürlichen Lebensgemeinschaften?

Billionen von langlebigen Plastikpartikeln unterschiedlichster Größe sind in den Weltmeeren verteilt und sammeln sich dort oft in ozeanischen Strudeln (Garbage Patches). Zwei dieser Meereswirbel waren im Jahr 2019 Ziel von Forschungsexkursionen von Helmholtz-Forschenden: Im Rahmen des Projektes MICRO-FATE begaben sich Forschende unter Leitung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) auf Pazifik-Expedition mit dem Forschungsschiff SONNE und analysierten den nordpazifischen Müllstrudel zwischen Singapur und Kanada; etwa zeitgleich untersuchten Forschende im Rahmen des Projektes PLASTISEA unter Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel bei einer Expedition mit dem Forschungsschiff POSEIDON den nordatlantischen Müllstrudel südwestlich der Azoren.

„Taxonomisch ist die Plastisphäre gut untersucht. Weniger bekannt sind dagegen die funktionellen Strategien, die es den Mikroorganismen im Biofilm ermöglichen, unter den extremen Bedingungen einer nährstoffarmen Umgebung und einer hohen UV-Belastung an der Oberfläche der offenen Ozeane zu überleben“, sagt UFZ-Hydrobiologin und Co-Autorin Dr. Mechthild Schmitt-Jansen.

Metagenome der Plastisphäre sequenziert und verglichen

Die Forschenden sammelten auf den Ozeanexpeditionen Makroplastik von der Meeresoberfläche und extrahierten die DNA der Plastisphäre. Sie sequenzierten deren Metagenome, also sämtliche DNA einer Lebensgemeinschaft, und verglichen Struktur und Funktion der mikrobiellen Metagenome der Plastisphäre in Pazifik und Atlantik sowie gegenüber dem im Meer natürlich vorkommenden Plankton. Im Fokus der Analysen standen die funktionellen Gene. Das sind jene DNA-Abschnitte, die eine wichtige Funktion im Organismus codieren und damit die Grundlage biologischer Prozesse bilden. „Funktionelle Gene enthalten genetische Informationen, dank derer Mikroben beispielsweise Proteine herstellen, Stoffwechselprozesse steuern, Zellstrukturen aufbauen oder Signalprozesse in der Zelle regulieren können“, sagt Geomar-Mikrobiologe und Co-Autor Dr. Erik Borchert.

Unterschiede im Metagenom und der taxonomischen Struktur

Bei der Analyse von rund 340 wichtigen funktionellen Genen fanden die Forschenden heraus, dass sich das bakterielle Metagenom der Plastisphäre in seiner Struktur und Funktion deutlich von den natürlichen Lebensgemeinschaften des Planktons im Pazifik bzw. Atlantik unterscheidet. So besitzt das Metagenom mehr jener funktionellen Gene, die den Mikroben der Plastisphäre ein Überleben unter den extremen Bedingungen der offenen Ozeane erleichtern. „Die Mikroorganismen im Biofilm haben mehr Genkopien, um Nährstoffe effektiv aufzunehmen, Kohlenstoff zu nutzen und abzubauen und UV-Strahlung durch effektive Mechanismen abzuwehren oder Schäden am Genom schnell zu reparieren“, sagt UFZ-Biologe und Erstautor Dr. Stefan Lips. Zudem können sie alternative Energiequellen wie die anoxygene Photosynthese nutzen, bei der kein Sauerstoff produziert wird.

Unterschiede ergaben sich zudem in der taxonomischen Struktur des Biofilms: Die Artenzusammensetzung innerhalb der Bakteriengruppen ist im Atlantik und Pazifik zwar unterschiedlich, die funktionell relevanten Bakteriengruppen sind aber in beiden Ozeanen vergleichbar.

Größere Genome durch bessere Nährstoffverfügbarkeit

Das Forschungsteam stellte außerdem fest, dass die Genome der Mikroben in der Plastisphäre im Vergleich zu denen des Planktons deutlich größer sind. Das natürlich vorkommende Meeresplankton hat sein Genom im Laufe der Evolution an die nährstoffarme Umgebung angepasst und seine Größe stark reduziert. Das müssen die Mikroben in der Plastisphäre nicht, denn sie profitieren von gemeinsamen Stoffwechselprozessen der Mikroorganismen auf den Plastikteilchen – und damit von einer besseren Nährstoffverfügbarkeit. Zudem fanden sich im Biofilm relativ hohe Chlorophyll-Konzentrationen im Vergleich zum Plankton. „Dies zeigt, dass die Mikroben der Plastisphäre das Potenzial haben, relativ gesehen zum umgebenden Plankton mehr Biomasse zu produzieren“, erklärt Mechthild Schmitt-Jansen. „Dadurch bilden sich eutrophe Nischen in der nährstoffarmen Wüste der offenen Ozeane.“

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Plastikverschmutzung schnellstmöglich stoppen

Die Forschungsergebnisse zeigen, wie es Mikroorganismen der Plastisphäre gelingt, sich an die schwierigen Lebensbedingungen in den nährstoffarmen subtropischen Meeresstrudeln anzupassen. „Das ist für die Ozeane kein gutes Zeichen, weil nur ihr ursprünglicher, natürlicher Zustand als gesund gilt – und jede Abweichung davon als Verschlechterung“, sagt Stefan Lips. Ob der Plastikbewuchs das geochemische Gleichgewicht dieses sensiblen Ökosystems beeinflusst, bleibt weiter Forschungsgegenstand. „Da die Mikroben Plastik vor allem als Lebensraum und weniger als Nährstoffquelle nutzen, ist es auch nicht zu erwarten, dass sie das Plastik in den Ozeanen beseitigen“, ergänzt Erik Borchert. Deswegen ist es dringend geboten, die Plastikverschmutzung schnellstmöglich zu stoppen.

Diese Kooperationsstudie des UFZ und des GEOMAR entstand im Rahmen der InnoPool- ProjekteP-LEACH und AI MareExplore und wurde finanziert über die Helmholtz-Gemeinschaft sowie durch die BMFTR-Projekte MICRO-FATE und PLASTISEA.

Originalpublikation: Stefan Lips, Mechthild Schmitt-Jansen, Erik Borchert: Metagenomic analyses of the plastisphere reveals a common functional potential across oceans. Environmental Pollution, 395, 127830 (2026). https://doi.org/10.1016/j.envpol.2026.127830

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