Treude, Tina

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OceanRep

Kleine Lebewesen mit großer Bedeutung: Wie Mikroben die Chemie im Meeresboden beeinflussen

KindeR- Und SChüleRUniKiel| Für Schülerinnen und Schüler von 12 bis 16 JahrenBegleitheft zum Vortrag von Prof. Tina TreudeKleine leBeweSen miT gRoSSeR Be-deUTUng: wie miKRoBen PRozeSSeim meeReSBoden BeeinFlUSSenProf. dr. Tina Treude,Exzellenzcluster „Ozean der Zukunft“ und Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR)Welche Bakterien leben in der Tiefsee und was tun sie dort? Wie beeinflussen Bakterien im Meer das Klima auf der Erde? Mit diesen Fragestellungen be-schäftigt sich die Professorin Tina Treude in ihrem Vortrag zu den kleinsten Lebewesen im Meer, die aber eine große Bedeutung haben.Vortrag: Kinder- und Schüleruni Kielnovember 2010was sind mikroben?Mikroorganismen oder Mikroben sind mikroskopisch kleine Lebewesen, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind. Im Allgemeinen versteht man unter Mikroben meistens Bakterienartige, aber es zählen auch an-dere Winzlinge aus dem Tier-und Pflanzenreich sowie die Pilze dazu. Ge-nerell unterteilt man alle Lebewesen in Eukaryoten und Prokaryoten. Eu-karyoten haben einen echten Zellkern und eine Zellmembran. Zu ihnen gehören Tiere, Pflanzen und Pilze. Alle anderen Lebewesen, die keinen echten Zellkern besitzen, gehören zu den Prokaryoten. Hierzu zählen die Bakterien und die Archaeen.Zusammenfassend gibt folgende Gruppen von Mikroorganismen: Bakterien (= Einzeller, ohne Zellkern) ArchaeenSie wurden früher als Archaebakterien bezeichnet, unterscheiden sich aber von den Bakterien durch bestimmte Zelleigenschaften. Viele Ar-chaeen können hohe Salzkonzentrationen aushalten (= halophil sein) oder hohe Temperaturen (= thermophil). Thermophile Archaeen findet man beispielsweise in der Tiefsee bei den schwarzen Rauchern. Es gibt auch methanogene Archaeen, die können Methan bilden und kommen in Reisfeldern, in Sümpfen, im Rinderpansen oder ebenfalls in der Tiefsee vor. Ein- bis wenigzellige Algen Pilze, zum Beispiel Backhefe Protozoen (= einzellige Tiere) Viren: Diese haben keinen eigenständigen Stoffwechsel und benötigen einen Wirt, um sich zu vermehren.Man nimmt an, dass bisher noch nicht einmal ein Prozent der geschätz-ten zwei bis drei Milliarden Arten von Mikroorganismen entdeckt worden sind.  Kleine leBeweSen miT gRoSSeR BedeUTUng:was ist geomikrobiologie?Die Geomikrobiologie ist ein Spezialgebiet der Mikrobiologie (Lehre von den Mikroorganismen) und befasst sich mit den Wechselwirkungen zwi-schen (mikrobieller) Biosphäre und Geosphäre (der Erdoberfläche und dem Meeresboden). Durch ihre Aktivität nehmen Mikroorganismen einen wichtigen Einfluss auf Verwitterungsprozesse, mineralische Ausfällungen, Abbaureaktionen von organischem Material sowie die Freisetzung von Ga-sen (z.B. Sauerstoff, Methan, Stickstoff). Damit beeinflussen sie am Ende nicht nur die Geosphäre sondern auch die Hydrosphäre (das Wasser) und die Atmosphäre (die Luft), die untereinander in Wechselwirkung stehen.miKRoBenAbb. 1: Mikroorganismen sind winzig klein und unterscheiden sich haupt-sächlich durch ihren Stoffwechsel.Prokaryoten Eukaryoten VielzellerAbb. 2: Unsere Erde ist vor 4,6 Milliarden Jahren (engl. = billion years) entstanden.Abb. 3: Vor ca. 3,8 Milliarden Jahren sind die ersten Archaeen entstanden, dann die ersten Eukaryoten mit noch wenigen Zellen. Vor ca. einer Milli-arde Jahre entstanden die Vielzeller.mikroben haben die welt verändertDie Tiere atmen einheitlich Sauerstoff ein und Kohlendioxid und Wasser wieder aus. Sie unterscheiden sich jedoch äußerlich je nachdem, ob es sich zum Beispiel um ein Raubtier (z.B. einen Wolf) oder um einen Pflan-zenfresser (z.B. ein Rind) handelt.Mikroben dagegen weichen äußerlich nicht so stark voneinander ab. Al-lerdings unterscheiden sie sich durch ihren Stoffwechsel (Metabolismus). Sie gewinnen ihre Energie durch sogenannte Redox-Reaktionen. Welche Elektronenakzeptoren außer Sauerstoff können Mikroben atmen?Sie können z.B.: aerobe Atmung (mit Sauerstoff) Nitratatmung Manganatmung Eisenatmung Sulfatatmung Methanogenese Fermentationein paar wichtige Prozesse im meeresboden, die uns häufigbegegnenSulfatatmung = Sulfatreduktion: schwarzes, stinkendes SedimentMethanogenese = blubberndes, schaumiges SedimentSulfidoxidation = Chemosynthese: weiße Bakterienmatten am Meeres-grund.methan gibt es auf der ganzen welt - und methanfresserMethan kommt in unterschiedlichen Mengen überall auf der Welt vor:Methan ist eine Energiequelle für Mikroben. Diese Energiequelle wird ent-weder durch Reaktionen mit Sauerstoff (aerob) oder ohne Sauerstoff (an-aerob) genutzt.Der aerobe Methanabbau findet im Meer beispielsweise im Meerwasser statt, durch Bakterien. Der anaerobe Methanabbau spielt sich in den tie-feren Zonen des Sedimentes durch Archaeen und sulfatreduzierende Bak-terien ab. Im Sediment gibt es also regelrechte Methanfresser.was sind Cold Seeps und wer frisst walkadaver?Sogenannte Cold Seeps finden wir am Meeresboden. Es sind Quellen, aus denen kaltes Wasser zusammen mit Methan und/oder Öl aus dem Unter-grund hervortritt. Im Gegensatz dazu stehen die Hydrothermalquellen, bei denen bis zu 400 Grad heißes Wasser mit reduzierten Schwefelver-Entstehungs-/Freisetzungsorte Emission Einheit:in natürlichen Feuchtgebieten (Moor, Regenwald)115 Tg/Jahrin Reisfeldern 100 Tg/Jahrin den Mägen von Wiederkäuern  80 Tg/Jahrin Kohlegruben/in der Petroleum-industrie75  Tg/Jahrwährend Biomasseverbrennungen 55 Tg/Jahrin Mülldeponien 40 Tg/Jahrim Verdauungstrakt von Termiten 20 Tg/Jahrim Meer/in Seen 10 Tg/JahrGeothermal an heißen Quellen Emissionsmenge noch unbekanntAbb. 4 und 5: In der Tiefsee existieren einige Lebensgemeinschaften nur aufgrund der Chemosynthese. Oben: Cold Seep. © Jamstec Unten: Hyd-rothermalquelle. © V. Tunicliffebindungen und Methan aus dem Erdinneren aufsteigt. Beides sind soge-nannte Energie-Oasen in der Tiefsee. In beiden Lebensräumen nutzen Bakterien und Archaeen die chemische Energie, die aus dem Meeresbo-den aufsteigt und bilden eine Basis für weitere Lebewesen, die wiederum von den Bakterien abhängig sind. Man nennt diese Lebensgemeinschaften daher chemosynthetische Gemeinschaften, da sie Biomasse mit Hilfe von chemischer Energie aufbauen (im Gegensatz zu Photosynthese, wobei Licht die Energie liefert).Ein weitere Energiequelle für Mikroben in der Tiefsee sind große tote Meereslebewesen, die auf den Meeresgrund sinken. Da gibt es kleine Fi-sche, Krebse und viele andere Organismen, aber vor allem auch riesige Walkadaver. Blauwale können beispielsweise 150 bis 200 Tonnen wiegen, Abb. 6: Gelbe Matten von Schwefelbakterien besiedeln die Knochen eines Walkadavers auf dem Tiefseeboden.         © Craig R. Smith(das ist so viel wie 1500 bis 2000 Menschen). Wenn so ein riesiges Tier stirbt, sinkt eine gewaltige Energiequelle auf den Meeresgrund, die lange vorhält! Und auch im Meer wird genau wie an Land, alles abgestorbene Material im Laufe der Jahre zersetzt.Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde ein Kadaver eines Grauwa-les in 1600 Meter Tiefe im Santa Cruz-Becken vor Kalifornien untersucht. Noch nach sechs Jahren waren sowohl der Walknochen als auch das Se-diment in seiner Umgebung von Schwefelbakterien umgeben. Das Fett des Wals, der sogenannte Blubber, war von sulfatreduzierenden Bakterien oxidiert worden. Dabei entsteht Schwefelwasserstoff (das Gas in einer Stinkbombe), der von Schwefelbakterien als Energiequelle genutzt wird. Ähnlich wie an Cold Seeps und Hydrothermalquellen findet man an großen Walkadavern daher chemosynthetische Gemeinschaften.mit welchen methoden arbeiten mikrobiologen in der Tiefsee?Meeres-Mikrobiologen arbeiten in der Regel von einem Forschungsschiff aus. Eine Expedition dauert meistens drei bis sieben Wochen. Im Ar-beitsgebiet werden möglichst viele Proben genommen. Um ungestörte Bodenproben aus der Tiefsee zu erhalten, werden verschiedene Geräte eingesetzt. Gleichzeitig bis zu acht Proben erhält man mit dem Multicorer, einem speziell zu diesem Zwecke entwickeltem Gerät.Der Multicorer wird mit Stechrohren aus Plexiglas bestückt und an einem Stahldraht vom Schiff aus auf dem Meeresboden abgesetzt. Bei Bodenkon-takt wird er mittels einem Gewicht in den Boden abgesenkt. Eine exakte Probe kann auch von einem ROV (= Remotely Operated Vehicle = fernge-steuertes Unterwasserfahrzeug) oder mit dem Tauchboot genommen wer-den. Der Vorteil hierbei ist, dass man mit einer Kamera das umgebende Sediment ansehen und eine sehr gezielte Probe nehmen kann. Schon von der Farbe des Kernes kann man auf seine Beschaffenheit schließen.Kaum ist das Stechrohr an Bord des Forschungsschiffes, wird der Kern ge-schlachtet und die Probe untersucht. Jeder Quadratzentimeter der kostba-Abb. 7: Mit dem Multicorer kann man ungestörte Proben aus dem Sediment des Meeresbodens ziehen.ren Probe (Schiffszeit ist teuer) wird beprobt. Außerdem wird das Wasser zwischen den einzelnen Sedimentkörnern, das sogenannte Porenwasser, aus dem Sedimentkern herausgepresst. An ihm werden ebenfalls Messun-gen gemacht. Und es wurden spezielle Mikrosonden entwickelt, mit denen man seine Messungen auch in kleinem Maßstab durchführen kann.warum sind mikroben wichtig?Zunächst einmal ist natürlich jeder Organismus „wichtig“, weil er eine einzigartige Erfindung der Natur darstellt. Auf der Erde und in den Welt-meeren spielen die Mikroben aber eine besondere Rolle, weil sie einen erheblichen Einfluss auf die chemischen Kreisläufe nehmen. Zum Beispiel würde die Welt heute ganz anders aussehen, wenn nicht die Mikroben zu Urzeiten – noch lange bevor es Pflanzen und Tiere gab – Sauerstoff pro-duziert hätten. Mikroben spielen auch eine entscheidende Rolle im Abbau von allem toten organischen Material und bei der Rückführung von Nähr-stoffen in den Kreislauf des Lebens.oxidiertreduziertreduziertoxidiertAbb. 8: Schon an der Farbe des Sediments in der Probe kann man auf seine Beschaffenheit schließen. In schwarzem Sediment fehlt der Sauer-stoff.was wir noch nicht über mikroben wissen, aber in nächsterzukunft erforschen wollenSpeziell im Meer gibt es noch viel über Mikroben zu entdecken. Wir fin-den zum Beispiel immer mehr Symbiosen zwischen Tieren und Bakterien. Auch sind wir uns fast sicher, dass wir noch nicht alle metabolischen Leis-tungen der Mikroben kennen. Es gibt so viele Verbindungen, die Mikroben theoretisch für die Atmung nutzen könnten. Uns Meeresforscher interes-sieren natürlich insbesondere alle Prozesse, die einen Einfluss auf größere Stoffflüsse im Mehr haben (Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff). wie wird man mikrobiologin oder mikrobiologe?Die Voraussetzungen:Man muss sich für die Naturwissenschaften (Physik, Chemie, Biologie) und Mathematik interessieren, besonders für die Zusammenhänge des Lebens, also die Biologie. Als Mikrobiologin oder Mikrobiologe beschäftigt man sich vor allem mit den kleinsten Lebewesen und verschiedensten Prozessen. Praktische Arbeiten draußen (= im Freiland) gehören genau so dazu wie Arbeiten am Computer oder längere Routinearbeiten im Labor. Latein ist keine Voraussetzung, hilft aber möglicherweise beim Verstehen der zahl- reichen Fachausdrücke und der lateinischen Namen der Organis-men. Wichtig ist, dass man in der englischen Sprache gut ist oder seine Fähigkeiten im Laufe der Ausbildung vertieft. Denn erstens treffen sich Wissenschaftler mindestens einmal im Jahr auf der ganzen Welt auf Sym-posien und reden miteinander. Das wird meistens in englischer Sprache gemacht. Und zweitens muss man seine Ergebnisse aufschreiben und mit anderen Wissenschaftlern austauschen. Auch dieses geschieht fast immer in englischer Sprache.Berufsberatung Biologe/BiologinBiologie ist ein eigener Studiengang. Man kann das Fach an vielen Uni-versitäten, auch hier in Kiel, studieren. Um an die Universität zu gehen, braucht man die Hochschulreife, das Abitur. Insgesamt muss man also erst 12 oder 13 Jahre zur Schule gehen. Anschließend kann man sich an einer Universität einschreiben. Da Biologie ein beliebtes Studienfach ist, gibt es beim Einschreiben an der Universität einen relativ hohen Nume-rus clausus, das heißt eine Zulassungsbeschränkung. Die geht nach dem Notendurchschnitt.Biologie lässt sich in viele verschiedene Fachgebiete aufteilen: Botanik (Pflanzenkunde), Zoologie (Tierkunde), Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Entwicklungsbiologie, Physiologie, Verhaltensbiologie, Ökolo-gie, Evolutionsbiologie und Systematik. Das Studium dauert ungefähr fünf bis sechs Jahre. Wenn man eine Doktorarbeit machen möchte, braucht man noch mal drei Jahre, arbeitet dabei aber bereits an einem Institut und verdient auch schon Geld. Während einer Doktorarbeit muss man etwas Neues herausfinden und in speziellen Zeitungen veröffentlichen.Prof. Dr. Tina TreudeExzellenzcluster „Ozean der Zukunft“ und Leibniz-Institut für Meereswis-senschaften (IFM-GEOMAR)treude@ifm-geomar.de|deR KieleR eXzellenzClUSTeR ozeAn deR zUKUnFTDer Kieler Exzellenzcluster „Ozean der Zukunft” ist ein in Deutschland ein-maliger Forschungsverbund von mehr als 240 Wissenschaftlern aus sechs Fakultäten der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, des Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR), des Instituts für Weltwirtschaft (IfW) und der Muthesius Kunsthochschule.Ziel des interdisziplinären Verbundes aus Meeres-, Geo- und Wirtschafts-wissenschaftlern sowie Medizinern, Mathematikern, Juristen und Gesell-schaftswissenschaftlern ist es, den Ozean- und Klimawandel gemeinsam zu erforschen, die Risiken und Chancen neu zu bewerten und ein weltweit nach-haltiges Management der Ozeane und mariner Ressourcen zu ermöglichen. Der Exzellenzcluster „Ozean der Zukunft” wird im Rahmen der Exzellenzini-tiative von der deutschen Forschungsgemeinschaft im Auftrag von Bund und Ländern gefördert.Weitere Informationen unter: www.ozean-der-zukunft.deWir danken der Förde Sparkasse und ihrer Stiftung „200 Jahre Sparkasse Kiel” für die freundliche Unterstützung:

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