Wie überlebt die „verschollene Schwefelkugel“? Schwefel-Bakterien mit Notfallproviant

Wie Menschen brauchen auch Bakterien Nahrung zum Überleben. SUP05-Bakterien haben dabei einen eigenwilligen Geschmack – sie gewinnen ihre Energie aus Schwefelverbindungen. Erstaunlicherweise sind sie selbst im offenen Meer noch recht aktiv, obwohl es dort an Schwefelsalzen mangelt. Warum SUP05 trotzdem überlebt, fanden nun Mikrobiologen auf einer Expedition im Meer vor Peru heraus.

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Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie Mikrobiologie

Bremen – Der Bakterienstamm SUP05 gibt Forschern einige Rätsel auf. Wieso etwa finden sich diese Mikroben im offenen Ozean, obwohl es für sie dort keine Lebensgrundlage gibt? Denn SUP05-Bakterien nutzen zur Energiegewinnung eine bestimmte Art von Schwefelverbindungen, so genannte Sulfide, und die finden sich meist nur nahe den Küsten.

Eine Forschergruppe um Marcel Kuypers vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen hat nun in Zusammenarbeit mit dem GEOMAR und der Universität Kiel einige Antworten gefunden: Auf einer Ausfahrt mit dem Forschungsschiff Meteor haben die Forscher im Meer vor Peru einen Vertreter dieses Bakterienstammes entdeckt, der sich für das Abdriften in den offenen Ozean bestens gerüstet hat: mit seinem eigenen Vorrat an Schwefel.

Sulfid als Lebensgrundlage?

Die Mikrobe mit dem Namen Thioglobus perditus, was sinngemäß „verschollene Schwefelkugel“ heißt, wandelt Sulfid zu Sulfat um. Aus dieser chemischen Umwandlung gewinnt sie die Energie zum Leben. So ist der Einzeller weltweit in küstennahen Auftriebsgebieten verbreitet, wo Wasserwirbel Sulfid und gelegentlich auch elementarem Schwefel aus tieferen Meeresschichten emporspülen. Dort leistet die Mikrobe mit ihrem Stoffwechsel ökologisch wichtige Dienste. Denn im Zuge der Reaktion wird nicht nur das für andere Organismen giftige Sulfid, sondern auch Kohlendioxid und Nitrat gebunden.

Erstaunlicherweise wurden immer wieder SUP05-Bakterien auch weiter entfernt von der Küste im offenen Meer gefunden, wo kein gelöstes Sulfid im Wasser ist. Wie aber kann der Organismus unter für ihn unwirtlichen Bedingungen existieren? „Niemand wusste, was machen sie da? Sind sie überhaupt aktiv?“, fragt Gaute Lavik vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, Fahrtleiter der Meteor-Reise. Nun haben die Forscher das Geheimnis gelüftet, warum das Bakterium nicht nur küstennah aktiv ist.

Schwefelvorrat für schlechte Zeiten

Mit einem Nano-Sekundärionen-Massenspektrometer haben die Forscher erstmals Messungen an einzelnen Bakterienzellen von Thioglobus perditus vorgenommen. So haben sie Einblicke in die physikalischen und biochemischen Vorgänge darin gewonnen. Ihr Ergebnis: Das Bakterium scheint eine Art Vorratspack an elementarem Schwefel mit sich zu führen – und es besitzt die nötige Genausstattung, um auch diesen elementaren Schwefel umzusetzen und nicht nur das Sulfid. Wenn die Strömungen Thioglobus perditus von der Küste aufs offene Meer treiben, zehrt die Mikrobe vermutlich von besagtem Vorratspack. Verschwindet der Schwefel aus dem Wasser, verschwindet auch das Bakterium.

„Offensichtlich ermöglicht die Vorratshaltung den Zellen von Thioglobus perditus, auch fernab der sulfidischen Küstengewässer aktiv zu sein, zumindest für eine begrenzte Zeit“, so Mitautor Tim Ferdelman vom Bremer Max-Planck-Institut. „Das macht sie nicht zuletzt zu interessanten Akteuren im weltweiten Kreislauf von Kohlenstoff und Stickstoff, die wiederum das Klima maßgeblich beeinflussen.“

Genom der „Schwefelkugeln“

Um den Einfluss der Mikroben auf das Klima besser zu quantifizieren, muss bekannt sein, welche Menge der besagten Stoffe in welchen chemischen Prozessen genau umgesetzt wird. „Im Rahmen der aktuellen Studien haben wir zum ersten Mal bestimmt, wie schnell die SUP05-Bakterien Kohlendioxid aufnehmen und dadurch wachsen“, so Mitautor Tim Ferdelman.

Zudem haben die Forscher den Grundstein für Folgestudien gelegt. Denn sie haben bereits das komplette Genom des Bakteriums entschlüsselt. „Anhand des Genoms haben wir dann eine Gensonde entwickelt, mit deren Hilfe wir diese Mikrobe nun jederzeit genau identifizieren können“, erklärt Cameron Callbeck, Erstautor der Studie, der mittlerweile vom Bremer Max-Planck-Institut an die Schweizer Eawag gewechselt ist.

Originalpublikation: Cameron Callbeck, Gaute Lavik, Timothy G. Ferdelman, Bernhard Fuchs, Harald R. Gruber-Vodicka, Philipp F. Hach, Sten Littmann, Niels S. Schoffelen, Tim Kalvelage, Soren Thomsen, Harald Schnuck, Carolin Löscher, Ruth A. Schmitz, Marcel M. M. Kuypers: Oxygen minimum zone ‚cryptic sulfur cycling’ sustained by offshore transport of key sulfur oxidizing bacteria. Nature Communications; 30 April, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04041-x

* Dr. F. Aspetsberger, Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, 28359 Bremen

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