Mikroben und der Kohlenstoff unter dem Meeresboden
Die Meeresbodenmikroben brechen verschüttete organische Substanzen auf und treiben komplexe Mineralisationsprozesse voran. Doch es ist nicht bekannt, wie die Mikroben genügend Nährstoffe und metabolische Energie in einer solchen niedrigenergetischen Umgebung erhalten. Das EU-finanzierte DEEP CARBON FLUX-Projekt (Energy and carbon food webs of the deep sub-seafloor biosphere) untersuchte die energetische und kinetische Steuerung der Stoffwechselprozesse in den Sedimenten. Die Studie konzentrierte sich auf die Rolle kleiner organischer Säuren als wichtige Zwischenprodukte im mikrobiellen Stoffwechsel. Das Team entwickelte auch eine neue Analysetechnik, die das Projektziel bewältigte und 2D-Ionenchromatographie in Kombination mit Massenspektrometrie-Detektion umfasste, um einzelne organische Säuren zu quantifizieren. Die Forschung umfasste Sedimentbohrungen in vier Meeresschutzgebieten in der Nord- und Ostsee und im Atlantik und im Pazifik. Die Bohrungen umfassten zwei große internationale Bohrprojekte, die vom International Ocean Discovery-Program (IODP, Exp. 337 und Exp. 347) durchgeführt wurden und das tiefste entkernte Bohrloch im Meeresboden der Welt, das bis auf ~ 2,5 km unterhalb des Meeresbodens geht (IODP Exp. 337) umfasst. Das Team entwickelte zunächst die neue Analysemethode für die Analyse von flüchtigen Fettsäuren (VFAs) in marinen Proben. Die Technik wurde verwendet, um VFA aus Chlorid- und Sulfat-Ionen zu trennen, und dann einzelne VFA zu trennen. Die Technik erlaubt die Quantifizierung von VFA direkt aus dem Meerwasser ohne weitere Probenvorbehandlungsschritte. Die Forscher verwendeten die Methode, um Porenwasserkonzentrationen an den vier Studienorten zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Konzentrationen erstaunlich konstant waren, abhängig von der biochemischen Zonierung von Nährstoffen und vorherrschenden mikrobiellen Stoffwechselwegen. Die Studie ergab, dass Mikroben VFA-Konzentrationen kontrollieren konnten. Schwellenkonzentrationen, unter dem Acetat nicht weiter verbreitet wird, reflektieren mikrobielle zellphysiologische Zwänge. Weder Thermodynamik noch Diffusion erklären somit den VFA-Umsatz. Stattdessen spielen zelluläre Prozesse - wie Membrantransport oder die Aktivierung von Substraten - wahrscheinlich eine aktive Rolle bei VFA-Konzentrationen von Porenwasser. Die Prozesse beeinflussen die verfügbare Energie. Jedoch können die Details bei verschiedenen mikrobiellen Gemeinschaften variieren. Auf der Basis der Pazifiksedimenten, die aus dem tiefsten Bohrloch in der Geschichte der wissenschaftlichen Ozeanbohrungen (~ 2,5 km unterhalb des Meeresbodens) gewonnen wurden, schlossen die Forscher weiter, dass Acetat und Formiat in den tiefen Sedimenten reichlich vorhanden sind und sich den methanbasierten Stoffwechsel in dieser Lage eignen. Acetat und Formiat werden während der geologischen Reifung des organischen Materials freigelassen, wodurch eine Möglichkeit geschaffen wird, die tief vergrabene mikrobielle Biosphäre über zig Millionen von Jahren zu unterstützen. Die Ergebnisse des Projekts zeigen die metabolischen Prozesse, durch die Mikroben in den Ozeansedimenten organische Substanz abbauen, um Energie zu gewinnen. Die Arbeit kann letztendlich auch bei der Abfallbeseitigung oder bei Recycling-Technologien Anwendung finden und dazu beitragen, die Auswirkungen der mikrobiellen Bildung von Methan in den Sedimenten abzuschätzen, die Energieressourcen und natürliche Treibhausgas-Emissionen beeinflussen.
Schlüsselbegriffe
Mikroben, unter dem Meeresboden, Kohlenstoff, Sedimente, DEEP CARBON FLUX, tiefe Biosphäre unter dem Meeresboden, flüchtige Fettsäuren, methanogenese, Sulfatreduktion, International Ocean Discovery-Program (IODP)
