Öl als Energiequelle für Meerestiere

Wissenschaftler entdecken in der Tiefsee Muscheln und Schwämme, die mithilfe von Symbiosebakterien Öl verwerten können

In der Tiefsee im Golf von Mexiko gibt es Vulkane, die Öl und Asphalt speien. Dort leben Muscheln und Schwämme in Symbiose mit Bakterien, die ihnen Nahrung liefern. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen haben zusammen mit Kollegen aus den USA bakterielle Symbiosepartner gefunden, die Öl als Energiequelle nutzen und sich von kurzkettigen Alkanen aus dem Öl ernähren. Den Forschern zufolge haben nach der Explosion der Ölbohrplattform Deepwater Horizon verwandte Bakterien diese Fähigkeit zum Abbau des Öls im Meer genutzt.

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Der Tauchroboter MARUM-Quest sammelt Muscheln, die Cycloclasticus-Symbiosebakterien enthalten, und ölreiche Asphalte an einem Gasaustritt in 3000 Metern Meerestiefe ein.
Der Tauchroboter MARUM-Quest sammelt Muscheln, die Cycloclasticus-Symbiosebakterien enthalten, und ölreiche Asphalte an einem Gasaustritt in 3000 Metern Meerestiefe ein.

Gestank und Hitze, wenn ein neuer Straßenbelag aufgebracht wird; schwarze Klumpen am Strand, die an den Füßen kleben – Asphalt wirkt nicht wie ein gemütlicher Lebensraum. Dennoch kann er die Grundlage florierender Ökosysteme bilden - für Muscheln, Krebse, Würmer, Schwämme und viele andere Bewohner.

In den Tiefen des Golfs von Mexiko tritt Öl und Asphalt aus dem Meeresboden und bildet bizarr anmutende Strukturen, die an erkaltete Lava erinnern – so genannte Asphaltvulkane. Vor fast 15 Jahren entdeckten Bremer und US-amerikanische Forscher diesen Lebensraum. Noch immer steckt er voller Überraschungen, wie eine nun eine Studie einer internationalen Forschergruppe um Maxim Rubin-Blum und Nicole Dubilier vom Bremer Max-Planck-Institut zeigt.

Die Campeche Knolls-Asphaltvulkane in etwa 3000 Metern Wassertiefe im Golf von Mexiko beheimaten eine diverse Lebensgemeinschaft. Doch wovon leben die Organismen? „Den Asphalt und das Öl, die aus dem Boden treten, können sie nicht fressen, und andere Nahrungsquellen sind in der Tiefsee rar“, erklärt Rubin-Blum. „Darum haben sich einige von ihnen mit Bakterien zusammengetan, die ihnen aus der Patsche helfen: Diese können aus dem Öl sowohl Energie als auch lebenswichtigen Kohlenstoff gewinnen.“ Solche Bakterien haben Meeresforscher schon an anderen ölreichen Standorten gefunden – allerdings als freilebende Mikroorganismen.

Verwöhnte Ringbrecher

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Farbenfrohes Spiel der Symbiose: Innerhalb von Zellen in den Kiemen von Bathymodiolus-Muscheln (Zellkerne in blau) finden sich Cycloclasticus (grün) neben größeren, methanoxidierenden Bakterien (rot).
Farbenfrohes Spiel der Symbiose: Innerhalb von Zellen in den Kiemen von Bathymodiolus-Muscheln (Zellkerne in blau) finden sich Cycloclasticus (grün) neben größeren, methanoxidierenden Bakterien (rot).

Diese ölfressenden Bakterien gehören zur Gruppe Cycloclasticus. Ihren Namen, der „Ringbrecher“ bedeutet, verdanken sie einer besonderen Fähigkeit: Sie können schwer abbaubare Ringstrukturen im Öl, so genannte PAHs (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe), knacken und verwerten. Das ist ein mühseliger Prozess, der viel Energie verschlingt.

Die symbiotischen Cycloclasticus, die die Bremer Forscher an den Asphaltvulkanen entdeckt haben, machen sich die Sache leichter. Sie haben sich auf leicht abbaubare Bestandteile des Öls spezialisiert - so genannte kurzkettige Alkane wie Butan, Ethan und Propan. „Die Ringe der PAHs können diese Mikroorganismen gar nicht mehr knacken“, erklärt Rubin-Blum. „Sie haben die dazu notwendigen Gene verloren.“ Solche Cycloclasticus-Bakterien, die rein auf kurzkettige Alkane setzen und keine PAH-Ringe mehr knacken können, kannte man bisher nicht.

Weil kurzkettige Alkane so leicht zu verwerten sind, konkurrieren viele Mikroorganismen darum. Wie können es sich die symbiotischen Bakterien erlauben, auf eine so heiß umkämpfte Nahrung zu setzen und ihre außergewöhnlichen Ringbrecher-Fähigkeiten zu vernachlässigen? Und das, obwohl sie in einem Lebensraum leben, der reich an PAH-Ringen ist?

„Wir vermuten, dass sie sich diesen ‚Luxus’ nur leisten können, weil sie sich bei Muscheln und Schwämmen als Symbionten eingemietet haben“, erläutert Mitautorin Nicole Dubilier vom Bremer Max-Planck-Institut. „Ihre Wirte filtern das umliegende Meerwasser und liefern ihnen dadurch kontinuierlich kurzkettige Alkane. So leben sie konkurrenzfrei an einem geschützten Standort und müssen nicht mit freilebenden Bakterien konkurrieren.“ „Das ist das erste Mal, dass wir eine Symbiose auf Basis kurzkettiger Alkane finden”, fügt Rubin-Blum hinzu. Die vorliegende Studie erweitert damit das Spektrum an bekannten Stoffen, die chemosynthetische Symbiosen antreiben können.

Schlüsselfigur für den Ölabbau

In einem weiteren Schritt verglichen Rubin-Blum, Dubilier und ihre Kollegen das Genom der symbiotischen Bakterien mit dem freilebender, nah verwandter Cycloclasticus-Arten. Diese traten im Golf von Mexiko nach der Deepwater Horizon-Ölkatastrophe in großen Zahlen auf. Tatsächlich konnte auch manche freilebende Art kurzkettige Alkane abbauen.

„Das war überraschend, denn bislang dachte man, Cycloclasticus können nur PAHs abbauen“, erklärt Dubilier. Kurzkettige Alkane sind vor allem unmittelbar nach einem Ölaustritt zu finden und werden schnell und von vielen Organismen abgebaut. Im Gegensatz zu den symbiotischen Bakterien sind die freilebenden aber weiterhin in der Lage, auch PAHs zu nutzen. „So bleiben sie flexibel. Sind die kurzkettigen Häppchen aufgebraucht, können sie immer noch die deutlich zäheren PAHs verwerten“, so Dubilier. „Offensichtlich handelt es sich bei Cycloclasticus um eine Schlüsselfigur im marinen Ölabbau“, fügt Rubin-Blum hinzu. “Als nächstes wollen wir daher die Physiologie und den Stoffwechsel der symbiotischen und freilebenden Arten genau vergleichen, um so mehr über deren Beitrag zum Abbau von Kohlenwasserstoffen im Meer zu erfahren.”

FA/HR

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