Lehrbuchwissen auf den Kopf gestellt: 3-in-1 Mikroorganismus entdeckt

Ein Team von Forschenden des Leibniz-Instituts DSMZ-Deutsche Sammlung von
Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH und der TU Braunschweig konnte jetzt
zusammen mit der Universität Wien und der University of Wisconsin, USA,
zeigen, dass in der Natur eine unglaublich hohe Biodiversität
umweltrelevanter Mikroorganismen existiert. Eine Vielfalt, die das
Bekannte mindestens um das 4,5-fache übersteigt. Einen Vertreter dieser
neuartigen Bakterien konnten die Forschenden im Bioreaktor untersuchen und
haben dabei erstaunliche multifunktionale Eigenschaften entdeckt. Ihre
Ergebnisse haben sie in den renommierten Fachzeitschriften Nature
Communications und FEMS Microbiology Reviews veröffentlicht.

Die verborgene Welt der Mikroorganismen fällt häufig außer Betracht –
obwohl viele klimarelevante Prozesse von Mikroorganismen beeinflusst
werden, oft gepaart mit einer unglaublichen Artenvielfalt innerhalb der
Gruppen der Bakterien und Archaea („Urbakterien“). Sulfat-reduzierende
Mikroorganismen setzen, zum Beispiel, ein Drittel des organischen
Kohlenstoffs in marinen Sedimenten zu Kohlendioxid um. Dabei entsteht
toxischer Schwefelwasserstoff. Positiv ist, dass letzterer rasch durch
schwefeloxidierende Mikroorganismen als Energiequelle genutzt und
unschädlich gemacht wird.

„Auch in Seen, Mooren und sogar im menschlichen Darm spielen diese
Prozesse eine große Rolle, um Natur und Gesundheit im Gleichgewicht zu
halten“, sagt Prof. Michael Pester, Leiter der Abteilung Mikroorganismen
des Leibniz-Instituts DSMZ und Professor am Institut für Mikrobiologie der
TU Braunschweig. In einer Studie konnte der Stoffwechsel eines dieser
neuartigen Mikroorganismen näher beleuchtet werden und brachte eine bisher
unerreichte Multifunktionalität zu Tage.

Mikroorganismen stabilisieren Ökosysteme

Der Schwefelkreislauf ist einer der wichtigsten und ältesten
biogeochemischen Kreisläufe unseres Planeten. Er ist gleichzeitig eng mit
dem Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf verzahnt, was seine Bedeutung
unterstreicht. Angetrieben wird er hauptsächlich durch Sulfat-reduzierende
und Schwefel-oxidierende Mikroorganismen. Auf einer globalen Skala setzen
„Sulfatreduzierer“ durch ihre Aktivitäten rund ein Drittel an organischem
Kohlenstoff um, der jährlich den Ozeanboden erreicht. Schwefeloxidierer
konsumieren im Gegenzug rund ein Viertel des Sauerstoffs in marinen
Sedimenten.

Wenn diese Ökosysteme aus dem Gleichgewicht geraten, können die
Aktivitäten dieser Mikroorganismen rasch zur Sauerstoffzehrung und
Akkumulation von toxischem Schwefelwasserstoff führen. Dadurch bilden sich
sogenannte Todeszonen, in denen Tiere und Pflanzen nicht mehr überleben
können. Dabei entsteht nicht nur ein ökonomischer Schaden, beispielsweise
für die Fischerei, sondern auch ein gesellschaftlicher Schaden durch
Zerstörung wichtiger Naherholungsgebiete. Daher ist es wichtig zu
verstehen, welche Mikroorganismen den Schwefelkreislauf im Gleichgewicht
halten und wie sie das tun.

Die jetzt publizierten Ergebnisse zeigen, dass die Artenvielfalt der
Sulfat-reduzierenden Mikroorganismen sich über mindestens 27 Phyla
(Stämme) erstreckt. Bisher waren Vertreter aus nur sechs Phyla bekannt.
Zum Vergleich: Im Tierreich sind derzeit 40 Phyla bekannt, wobei die
Wirbeltiere nur einem Phylum, den Chordata, angehören.

Neu entdeckte multifunktionale Bakterienart

Einen Vertreter dieser neuartigen „Sulfatreduzierer“ konnten die
Forschenden dem wenig erforschten Bakterien-Phylum der Acidobakterien
zuordnen und in einem Bioreaktor untersuchen.

Mit Hilfe modernster Methoden aus der Umweltmikrobiologie konnten sie
nachweisen, dass diese Bakterien sowohl aus der Sulfatreduktion sowie aus
der Atmung mit Sauerstoff Energie ziehen können. Diese zwei
Stoffwechselwege schließen sich in allen bisher bekannten Mikroorganismen
eigentlich aus. Gleichzeitig konnten die Forschenden belegen, dass die
sulfatreduzierenden Acidobakterien komplexe pflanzliche Kohlenhydrate wie
Pektin abbauen können – auch das ist eine Eigenschaft, die für
„Sulfatreduzierer“ bisher unbekannt war. Dadurch stellten die Forschenden
das Lehrbuchwissen auf den Kopf. Sie zeigen, dass komplexe
Pflanzenbestandteile unter Sauerstoffausschluss nicht – wie bisher gedacht
– nur durch ein koordiniertes Zusammenspiel verschiedener Mikroorganismen
abgebaut werden können, sondern auch über eine Abkürzung durch eine
einzige Bakterienart.

Ebenfalls neu ist die Erkenntnis, dass diese Bakterien dazu sowohl Sulfat
als auch Sauerstoff nutzen können. Wie sich die neuen Erkenntnisse auf das
Zusammenspiel des Kohlenstoff- und Schwefelkreislaufs auswirken und wie
sie mit klimarelevanten Prozessen verzahnt sind, untersuchen die
Forschenden der DSMZ und der TU Braunschweig derzeit