Im Dickicht der Schwefelbakterien

14.05.2018

Beim Abbau von organischem Material unter Sauerstoff-Ausschluss spielen Schwefelbakterien eine zentrale Rolle. Die Funktionsweise des Schwefelkreislaufs in Böden ist aber noch weitgehend unbekannt, sagen die mikrobiellen Ökologen Marc Mußmann und Alexander Loy von der Universität Wien. Untersuchungen von Meeressedimenten und Mooren werfen noch einige Fragen auf.

Die Meere und vor allem Küstengebiete sind ein Hot Spot des Schwefelkreislaufes. Hier befinden sich große Mengen an Sulfat. Unter sauerstofffreien Bedingungen veratmen Mikroorganismen Sulfat während des Abbaus von organischem Material. Es entsteht dabei der für Pflanzen und höhere Lebewesen toxische Schwefelwasserstoff. Bleibt eine anschließende Zurückführung in Sulfat aus, hat das Folgen: „Jeder kennt den Geruch von faulen Eiern – ein Hinweis darauf, dass Schwefelwasserstoff in die Atmosphäre ausgetreten ist“, sagt der Forscher Marc Mußmann.

Es sei schon immer elementar gewesen, so Mußmann, dass der Schwefelwasserstoff als ein Zwischenprodukt im Kreislauf auch wieder oxidiert und in Sulfat zurückgewandelt wird. So gilt nach wie vor die Annahme, „dass große Massenaussterben wie etwa jenes vor zirka 250 Millionen Jahren in Verbindung mit dem damaligen Sauerstoffmangel und der Giftigkeit des entstandenen Schwefelwasserstoffes steht“.

Biologische H2S-Filter

Die Grundzüge des Schwefelkreislaufs sind bekannt. Bei den elementaren Kräften, die die Schwefeloxidation vorantreiben, gibt es Unsicherheiten: Für die Detoxifizierung des Schwefelwasserstoffs ist ein auf und in dem Meeres- und Küstensediment sitzender Biofilm aus Bakterien – mit bis zu 100.000.000 Zellen pro Kubikzentimeter – verantwortlich. Oder besser mitverantwortlich: „Neben der biologischen Oxidation gibt es auch eine chemische Oxidation und es ist bisher nicht klar, in welchem Verhältnis diese Prozesse zueinander stehen“, sagt Marc Mußmann, der sich auf die Analyse von Schwefelbakterien in marinen Küstensedimenten spezialisiert hat.

Es gibt jedoch erste Hinweise darauf, dass die Mikroorganismen - „quasi als ein biologischer H2S-Filter“ - den Großteil der Arbeit machen. Welche Mikroorganismen die Oxidierung betreiben, ist erst in Anfängen erkundet. Es gibt viele noch unbekannte Akteure, schätzt Mußmann. Erschwerend kommt hinzu, dass die Forscher die Bakterien nicht im Labor kultivieren können. „Wir wissen anhand molekularer Studien, dass die Schwefeloxidierer da sind. Aber wir wissen nicht, ob sie den Prozess tatsächlich in situ betreiben und welchen Anteil sie an dem Gesamtprozess haben.“

„Als mikrobielle Ökologen wollen wir die Schlüsselmikroorganismen der Prozesse im Schwefelkreislauf entdecken und physiologisch charakterisieren. So können wir besser verstehen, wie das gesamte Ökosystem auf Veränderungen wie etwa höhere Biomasseeinträge oder Klimaveränderungen reagiert“, sagt Alexander Loy, der wie Marc Mußmann im Forschungsverbund Chemistry Meets Microbiology der Universität Wien forscht. Loy selbst untersucht Mikroben in natürlichen Feuchtgebieten sowie im Darm des Menschen.

  • Schwefelprozesse in der Umwelt und im menschlichen Darm: Die Prozesse sind in beiden Systemen sind relativ ähnlich: Die Schwefeloxidation ist Teil des Schwefelkreislaufs, der von Mikroorganismen in der Umwelt katalysiert wird und der auch in uns stattfindet. "Der Unterschied ist: In der Umwelt metabolisieren die Organismen den Schwefelwasserstoff, bei uns macht es der Wirt - also wir selbst“, erläutert Alexander Loy.

Relevanz der Moore …

Welche Rolle spielen Prozesse wie Sulfatatmung und Schwefeloxidation in den Mooren? Diese Frage wurde bisher von der Forschung wenig thematisiert; die Relevanz der Moore ist aber nicht zu unterschätzen: „Die Sulfat-Konzentration in terrestrischen Mooren ist zwar 100 bis 1.000-fach geringer als im Meer, wo man von durchschnittlich 28 mmol Sulfat pro Liter Seewasser ausgeht. Aber trotz der geringeren Menge laufen die Prozesse in den Mooren genauso schnell ab wie in marinen Sedimenten“, erzählt Loy.

Feuchtgebiete gelten als ein sehr wichtiger Faktor bei der Klimaerwärmung - sowohl die Ursachen als auch die Auswirkungen betreffend. Diese binden mehr Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre als sie freisetzen. Gleichzeitig sind sie aber für etwa 50 Prozent der weltweiten Emissionen des weitaus stärkeren Treibhausgases Methan verantwortlich. Erst jüngst konnte Alexander Loy mit internationalen Kollegen neue Schwefelbakterien identifizieren, die eine wichtige Rolle für die globalen Schwefel- und Kohlenstoffkreisläufe spielen: Die Bakterien können mittels Sulfatatmung die Bildung von Methan reduzieren.

… fürs Klima

„Diese Sulfatreduzierer in den Mooren stehen mit Methan-produzierenden Archaeen in Konkurrenz. Sobald die Sulfatreduzierer aktiv sind, wird weniger Methan produziert“, so der Forscher: „Es gibt Berechnung, dass ohne die Sulfatreduzierer die globale Methanproduktion um bis zu 15 Prozent höher ausfallen würde.“ Mit Blick auf die immer stärker  auftauenden Tundra-Gebiete in Sibirien stellt sich damit die Frage, inwiefern Sulfatreduzierer aus dem Tiefschlaf aufgeweckt werden – und helfen, die Methanfreisetzung künftig geringer zu halten als angenommen.

Bei einem anderen Projekt konnte Alexander Loy in den Mooren eine nicht sehr häufige, aber neue Bakterienart der Sulfat-reduzierenden Gattung Desulfosporosinus identifizieren. Diese sorgten in anderer Hinsicht für Staunen: „Selbst, wenn diese Mikroorganismen hochaktiv sind und sehr stark Sulfat reduzieren, wachsen sie nicht und machen sich rar. Es findet praktisch keine Zellteilung statt. Warum das so ist, wissen wir noch nicht.“ Doch der Befund zeige: „Wir dürfen nicht länger davon ausgehen, dass seltene Mikroorganismen für das Ökosystem nicht wichtig sind. Die seltene Biosphäre ist nicht zu unterschätzen.“

  • Internationale Forschergemeinschaft versammelte sich in Wien: Die Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe beschäftigen global weitaus mehr Forscher als der Schwefelkreislauf – „wohl schon deswegen, weil wir als Mensch direkter, etwa über CO2-Emmissionen und Düngung, in diese Kreisläufe eingreifen“, sagt Alexander Loy. Der Forscher und sein Kollege Marc Mußmann brachten jüngst die internationale Forschergemeinde zum Schwefelkreislauf im Rahmen des „5th International Symposium on Microbial Sulfur Metabolism“ in Wien zusammen. Es ging um den Schwefel-Metabolismus in der Umwelt bis hin zum Menschen.

Die verzahnten Kreisläufe

Die globalen Kreisläufe der Elemente (C, N, S etc.) sind eng verzahnt: Höhere Phosphor- und Stickstoffeinträge, die über die Gewässer an die Küsten gelangen, heizen das Algenwachstum an und damit die Gefahr, dass der toxische Schwefelwasserstoff nicht wieder detoxifiziert werden kann. Manche Schwefelbakterien können CO2 binden und darüber, so eine erste These, in den tieferen Sedimentschichten der Meere das Treibhausgas speichern.

Die Mikroorganismen können aber auch teilweise CO2 produzieren, wenn sie die Schwefelkomponenten zur Energiegewinnung umsetzen. Andere Schwefelbakterien können sogar Nitrat veratmen und dann das Treibhausgas N2O (Lachgas) in die Atmosphäre freisetzen, welches zum Treibhauseffekt und zur Zerstörung der Ozonschicht beiträgt.

Um diesen komplexen Zusammenhängen und speziell dem Treiben der verschiedenen Schwefelbakterien besser auf die Schliche zu kommen, braucht es noch einiges an Forschung. Sehr hilfreich sind dabei interdisziplinäre Ansätze der Mikrobiomforschung: „Die gewonnene genomische Information in Relevanz für das Ökosystem zu übersetzen, ist die größte Herausforderung und zugleich der Schlüssel für immer tiefere Einblicke in die funktionelle Vielfalt von komplexen Mikrobengemeinschaften in der Umwelt“, so Alexander Loy und Marc Mußmann. (ly)

Sediment in der Gezeitenzone der Nordsee: Die schwarze Färbung signalisiert Sauerstoff-Mangel und H2S-Bildung, die hellbraune Färbung signalisiert H2S-Oxidation und Entgiftung durch Mikroorganismen und chemische Prozesse (Copyright: Stefan Dyksma).
Neue Schwefelmikroben wurden im Schlöppnerbrunnen-Moor im bayerischen Fichtelgebirge entdeckt (Copyright: Universität Wien).
TeilnehmerInnen des 5th International Symposium on Microbial Sulfur Metabolism, das Mitte April 2018 in Wien stattgefunden hat (Copyright: Kenneth Wasmund).