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Measure of Alkaline Phosphatase Activity of Plankton: An Integrated Microfluidic Approach

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Phytoplankton: Hinweise auf die Zukunft unserer Ozeane

Ein EU-finanziertes Projekt hat die Vorteile der Mikrofluidik genutzt, um die Anpassung des Phytoplanktons an Nährstoffeinschränkungen zu erforschen.

Klimawandel und Umwelt

Die Ozeane bedecken 71 % der Erdoberfläche und bergen etwa 97 % des gesamten Wassers der Erde. Sie mildern extreme Wetterereignisse ab, erzeugen Sauerstoff, spielen eine bedeutende Rolle bei der Ernährungssicherheit und speichern überschüssiges CO2. In den letzten Jahrzehnten haben sie die Hauptlast des Klimawandels getragen, was zu einem geringeren Salzgehalt, einem höheren Säuregehalt und einer stärkeren Erwärmung geführt hat. Der Klimawandel der letzten Jahrzehnte hat wichtige Umweltveränderungen mit sich gebracht, welche die Nährstoffverfügbarkeit für Phytoplankton – mikroskopisch kleine Organismen, die an der Oberfläche des Ozeans leben – verringern können. Dies wiederum hat Auswirkungen auf Artengemeinschaften und den Aufbau ökologischer Nischen. Phytoplankton, autotrophe Zellen, spielen eine Schlüsselrolle in der biologischen Produktion der Ozeane. Außerdem sind sie für etwa 40 % der anorganischen Kohlenstofffixierung auf der Erde verantwortlich. Durch die wachsende Anzahl von Gebieten, in denen eine geringe Konzentration des Phytoplanktons vorherrscht, wird sich der Kohlenstoffkreislauf der Erde in Zukunft drastisch verändern.

Ein genauerer Blick auf das Phytoplankton

Das EU-finanzierte, im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) geförderte Projekt MAPAPAIMA untersuchte, inwiefern sich das Phytoplankton an Bedingungen mit begrenzter Nährstoffverfügbarkeit anpassen kann, um zu überleben. „Dies kann uns zu einem besseren Verständnis der Phytoplankton-Gemeinschaft, der Ozeane und der Kohlenstofffixierung auf der Erde verhelfen“, erklärt MSCA-Stipendiat Mathias Girault. Er fügt hinzu: „Unsere Forschung konzentrierte sich auf einen bestimmten Anpassungsmechanismus, der für das Überleben zahlreicher Phytoplanktonarten, die in Umgebungen mit begrenztem Phosphatvorkommen leben, unerlässlich ist. Dieser Mechanismus beinhaltet ein extrazelluläres Enzym, die alkalische Phosphatase.“ Durch die Nutzung gelöster organischer Substanzen hilft dieses Enzym im Fall einer Nährstoffknappheit, die Phosphorquellen des Phytoplanktons zu diversifizieren und dadurch ein besseres Überleben zu gewährleisten.

Neue Mikrofluidik-Plattform

„Die wichtigste Errungenschaft des Projekts war die Entwicklung einer innovativen und vollständigen Mikrofluidik-Plattform und eines Lab-on-a-Chip. Diese können erfolgreich die Aktivität der alkalischen Phosphatase auf Einzelzellebene messen“, berichtet Girault. Die Plattform besteht aus einer Reihe von Bildverarbeitungsalgorithmen für die Erkennung von Zielzellen und die Sortierung von Tröpfchen sowie einem autonomen Bildanalysesystem. Sie kann aufzeigen, welche Arten in welchem Ausmaß alkalische Phosphatase freisetzen und wie diese enzymatische Aktivität durch zukünftige Vorhersagen der Umweltbedingungen verändert werden kann. Girault hebt weiter hervor: „Durch unsere Analysemethode konnten wir erstmals die alkalische Phosphatase von Phytoplankton, das aus einem Sedimentkern wiederbelebt wurde, vergleichen, und so die Evolution und die Anpassung in der Expression alkalischer Phosphatase als Funktion der Zeit untersuchen.“ Das Projekt entdeckte sowohl inter- als auch intraspezifische Variabilitäten der alkalischen Phosphatase, was darauf hindeutet, dass zwei verschiedene Arten von Phytoplankton innerhalb eines halben Jahrhunderts eine ähnliche adaptive Evolution durchlaufen haben könnten, um Umweltveränderungen zu begegnen und ökologische Vorteile zu erlangen.

Zukünftige Forschungsschwerpunkte

Die Ergebnisse des Projekts stellen erste Schritte bei der Erforschung der Anpassung von Phytoplankton an Umgebungen mit begrenztem Nährstoffvorkommen dar. Mit Blick auf die weitere Vorgehensweise merkt Girault an, dass es interessant wäre, einen detaillierten Blick auf die Anpassung des Phytoplanktons an die Nährstoffbegrenzung im Laufe der Zeit zu werfen. Immerhin wurde ein komplettes mikrofluidisches System bereits entwickelt. Hierfür könnte beispielsweise Phytoplankton verwendet werden, das aus einer tieferen Sedimentschicht wiederbelebt wurde. „Außerdem wäre es aufschlussreich, Phytoplanktonzellen jüngeren Datums wiederzubeleben, um die Auswirkungen der vom Menschen verursachten Nährstoffeinträge auf die Stoffwechselfähigkeit der Phytoplanktonzellen aufzudecken“, schließt Girault.

Schlüsselbegriffe

MAPAPAIMA, Phytoplankton, Ozean, alkalische Phosphatase, Mikrofluidik-Plattform, Einzelzellebene

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