Mikroorganismen des Meeres

Amed Scuba- Stoffkreislauf: Phyllodesmium mit Mikroorganismen

Aufgaben der Mikroorganismen im Meer

Die immense Vielfalt mariner Mikroorganismen und die durch sie bewirkten Prozesse sind essenziell nicht nur für den Stoffhaushalt mariner Ökosysteme. Sie besitzen die Fähigkeit, gelöste und auch feste Partikel sowohl organischer als auch anorganischer Stoffe aerob und anaerob abzubauen. Bakterien werden zu den wichtigsten Katalysatoren für die Funktionen biochemischer Kreisläufe.  Bei der mikrobiellen Oxidation von organische Substraten sind dabei Stoff- und Energietransfer untrennbar miteinander verbunden. Die Endprodukte des mikrobiellen Stoffwechsels sind remineralisierte anorganische Nährstoffe, die wiederum die Grundlage primärproduzierender Prozesse darstellen. Dabei sind die Kreisläufe der Hauptelemente über die Elementzusammensetzung der Organismen eng miteinander vernetzt und greifen ineinander. Kohlenstoffkreislauf, Stickstoffkreislauf, Schwefel- und Phosphorkreislauf sind Voraussetzung für alles organische Leben auf der Welt. Die Stoffumwandlungen sind dabei als Leistung der mikrobiellen Lebensgemeinschaften zu verstehen, die erst durch die enge Wechselbeziehung zwischen den Einzelorganismen ihre Bedeutung gewinnt. Gleichzeitig tragen sie nicht nur zur Sauerstoff- und Glucose Gewinnung bei sondern ebenfalls zum Abbau von Schadstoffen.
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Das Meer als Lebensraum

71 % unserer Erde ist von Wasser bedeckt. Damit ist das Meer sowohl in horizontaler als auch vertikaler Ausdehnung der größte Lebensraum der Erde. Mit einer Fläche von 361 Millionen Quadratkilometern und einer mittleren Wassertiefe von 3700 Metern (11033 Meter tiefste Stelle im Mariannengraben) bietet das Meer unzähligen Organismen Heimat und wirkt gleichzeitig auf das Klima unseres Planeten großen Einfluss aus.
Vor ca. 3,5 Milliarden Jahren entstand das Weltmeer. Die Lithosphäre, unsere Erdkruste, bildet eine Anzahl riesiger Schollen oder Platten, die sich auf dem viskös-flüssigen Erdmantel langsam verschieben, aufeinander zu schwimmen oder sich voneinander entfernen. Diese Bewegungen tragen zu einer tektonischen Unruhe bei. Driften Platten aufeinander zu, wobei eine Platte sich unter die andere schiebt (Subduktion), wie dies im indonesischen Feuergürtel passiert, entstehen dabei Tiefseegräben, wie auch zwischen Bali und Lombok, und Vulkane säumen ihre Ränder. Nährstoffe, die die Stoffkreisläufe antreiben, gelangen mit der Lava und den Auswaschungen des Lavagestein ins Meer. Phosphor-, Stickstoff-, Schwefel- und Kohlenstoffkreisläufe spielen eine wichige Rolle im Meer und sind unerlässlich für unsere Sauerstoffproduktion in der Welt. Eine besondere Bedeutung kommt dabei den Druckverhältnissen, der Salinität, der Sonneneinstrahlung und der Temperatur als abiotische Faktoren für die Stoffkreisläufe und für das Leben im Meer zu.

Wichtiger Primärproduzent im Meer: Phytoplankton, Amed Scuba Bali

Die wichtigsten Bewohner der Meere sind die Mikroorganismen, die einen Großteil der Biomasse des Meeres ausmachen und die an Zahl alle anderen Organismen im Meer um Größenordnungen übertreffen. Die mikrobielle Biomasse und Oberfläche der Mikroorganismen ist größer als die aller anderen Organismen zusammengenommen. Dies wird auch durch das Oberflächen-Volumen-Verhältnis zusätzlich begünstigt. Mikroorganismen besitzen aufgrund ihrer geringen Größe ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und dieses Oberflächen/Volumen-Verhältnis (O/V-Verhältnis) steigt mit abnehmender Größe an und erhöht dadurch den intensiven Stoffaustausch und die Stoffwechselrate der Mikroorganismen. Ein hohes O/V-Verhältnis begünstigt ein intensives Austauschpotential der Mikroorganismen und erhöht die Intensität der Kommunikation zwischen dem Organismus und seiner umgebenden Umwelt, was vielfältige Stoffwechselleistungen zur Folge hat.  Die mikrobiellen Populationen umfassen die

Amed Scuba Bali

unterschiedlichsten physiologieschen Gruppen von Organismen mit einem breiten Spektrum katabolischer Enzyme, die in die Stoffkreisläufe eingreifen und den Umsatz von organischem und anorganischem Material ermöglichen. Dabei sind die Kreisläufe im Meer hochgradig Effizent, da oftmals eine hohe Affinität und Spezifität besteht und nicht nur im Korallenriff Symbiosen entstanden sind, die kurze Wege der Umsetzung ermöglichen.
"Die Ergebnisse zeigten, dass die Ozeanerwärmung auf das Phytoplankton über zwei grundlegende Mechanismen wirkt, zum einen durch eine Erhö-hung der Stoffwechselraten und die Beweidung durch Zooplankton, zum anderen durch die geringere Nährstoffzufuhr aufgrund verstärkter Schichtung der Wassersäule. Es zeigte sich, dass der erste Mechanis-mus besonders in kälteren, vertikal gut durchmischten Ökosystemen wichtig ist, letzterer erschien unter warmen, geschichteten Bedingungen bedeutsamer," schreibt Professor Worms in seinem Handout. 

Was macht Mikroorganismen so erfolgreich?

Kurze Generationszeiten mit rascher Vermehrungsrate, logarithmisches Wachstum der Populationen macht sie zu sich schnell entwickelnden und sich schnell anpassenden Organismen. Sie sind in der Lage sich untereinander oder auch mit anderen Individuen zu verbinden und Assoziationen zu bilden. Dadurch sind sie in der Lage eine hohen Abbaurate zu erreichen, welche die Leistung eines Einzelorganismus bei weitem übertrifft. Die mikrobielle Besiedlung von Oberflächen durch mikrobielle Lebensgemeinschaften, die man auch als Biofilme bezeichnet, erfolgt räumlich und zeitlich sehr unterschiedlich. Daraus resultieren ausgeprägte Gradienten biologischer und chemischer Parameter, entlang derer die Organismen Material und Energie äußerst effizient nutzen können. Diese Gradienten bilden den Motor für mikrobielle Stoffkreisläufe. In einer Studie des Forschungsinstitutes Geomar wurden Planktondaten bis hin zurück zu den Anfängen der ozeanographischen Forschung verfolgt und es konnte ein langfristiger Rückgang des Planktons in acht von zehn großen Meereszonen nachgewiesen werden. Dies hat zwar unterschiedliche Ursachen, doch hängen sie mit der globalen Erwärmung zusammen. Zum einen ist der Rückgang des Planktons zurückzuführen auf die Erwärmung des Wassers und wird verstärkt durch die in der Folge entstehende Schichtung des Meeres.

Mikrometazoen (Mikrozooplankton), Amed Scuba Bali

Die Einteilung der Mikroorganismen erfolgt aufgrund einer vergleichenden rRNA Sequenzanalyse und C. Woese teilt die Organismen demnach in drei Kategorien die Bacteria, Archaea und Eukarya ein. Als Prokaryonten fasst man Bakterien und Archaebakterien zusammen und stellt sie den Eukaryoten mit echtem Zellkern gegenüber. Zu diesen Eukaryoten gehören zum Beispiel Mikroalgen, Pilze, Protozoen und Mikrometazoen. Bakterien nutzen als Organisationsform Licht als Energiequellen oder beziehen ihre Energie aus der Oxidation anorganischer oder organischer Substrate unter aeroben und anaeroben Bedingungen. (siehe z.B. Schwefelkreislauf) Die Archaea hingegen sind Bewohner extremer Standorte mit hohen abiotischen Anforderungen an diese wie Temperatur, pH-Werte, Salzgehalt und umfassen sowohl autotrophe wie heterotrophe Aerobier oder Anaerobier und decken damit ein weites Spektrum möglicher Lebensbedingungen oder Anforderungen an diese Mikroorganismen ab. Hierzu zählen methanbildende sowie extrem halophile und thermophile Bakterien.
Die wichtigsten Primärproduzenten im Meer sind das Phytoplankton (Mikroalgen), was photoautotroph in der Lage ist, mit Hilfe des Sonnenlichtes, Wasser und Kohlenstoffdioxid organische Verbindungen in Form von Zucker herzustellen. Hierbei wird ebenfalls der für uns sehr wichtige Sauerstoff gebildet, den wir atmen.
Pilze sind als Destruenten heterotroph und nicht in der Lage wie das Phytoplankton Fotosynthese zu betreiben. Sie spielen eher eine Rolle als Destruenten, die mit ihrem Myzel beim Abbau organischen Materials behilflich sind oder als Einzeller zur Autolyse beitragen.
Protozoen (Protozooplankton) als Konsumenten sind in der Lage gelöste organische Stoffe aufzunehmen und zu speichern und dienen als sehr heterogene Gruppe. Als Konsumenten von Bakterien und Phytoplankton stehen sie als Fundament in der Nahrungspyramide und dienen als Nahrung für Eukaryonten eine zentrale Rolle im Nahrungsnetz.
Mikrometazoen (Mikrozooplankton) sind bereits vielzellige heterotrophe Organismen, die als Larvenstadien temporär oder wegen ihrer geringen Größe auch als Adulte zu den Mikroorganismen gerechnet werden.
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https://www.geomar.de/fileadmin/content/zentrum/preise/petersen_handout_03_worm.pdf

Symbiosen zwischen Bakterien

Weder Mund, Magen noch einen Darm hat der 1- 2 cm lange Oligochaet Olavius algarvensis, der im anaeroben Sulfid enthaltenden Meeressediment sitzt – und trotzdem kann der Meereswurm sich ernähren, unterschiedliche Bakterien helfen ihm dabei. Die winzigen Einzeller sitzen in seiner Haut, liefern ihm Nährstoffe und entsorgen zugleich die Abfälle. Dabei greifen die Bakterien mit ihren Stoffwechselprodukten ineinander und unterstützen sich gegenseitig. Die Sulfat reduzierenden Schwefelbakterien sind in der Lage anaerob organische Substrate abbauen. Dabei dient ihnen Sulfat als Elektronenakzeptor und es bildet sich Schwefelwasserstoff (H2S in der sogenannten Sulfatatmung). Auf der anderen Seite stehen sogenannte Sulfidoxidierer (chemosynthetisch aktive Schwefelbakterien), die in der Lage sind, ihren Energiebedarf durch das oxidieren des für viele Tiere giftigen H2S zu decken. Sie oxidieren H2S durch Schwefelwasserstoff (S2-).  Die Summengleichung entspricht dann der Photosynthese und die Bakterien sind dadurch chemo-autotroph. Aus 6CO2 + 12 H2S entstehen dann Glucose C6H12O6 + 6H2O + 12S   Für die Meeresbiologin Nicole Dubilier ist der Wurm das Beispiel für eine Symbiose, für das Zusammenleben von Lebewesen. Die Wissenschaftlerin vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen leitet die Abteilung für Symbiose-Forschung. Jede Art – ob Tier oder Pflanze – arbeitet auf die ein oder andere Weise mit anderen Arten zusammen, sagt Dubilier.

https://www.zobodat.at/pdf/DENISIA_0020_0165-0172.pdf

Drastischer Planktonrückgang

Zur Zeit lässt sich ein drastischer Planktonrückgang im Meer beobachten. Das Phytoplankton (pflanzliche Plankton), was an der Basis der Nahrungspyramide steht, ist seit 1950 weltweit um über 40% gesunken. Warum es so wichtig ist, lässt sich zum einen am Rückgang des Fischbestandes fest machen, aber vor allem hat es globale Auswirkungen. Die Aufgabe des photoautotrophen Planktons ist es mit Hilfe von Sonnenlicht, Wasser und Kohlenstoffdioxid organische Stoffe in Form von Glucose als Nahrungsgrundlage und den Sauerstoff herzustellen. Dadurch sind drastische Auswirkungen auf das Leben im Meer, aber auch auf die gesammte Menschheit zu befürchten, denn 71% unserer Erde ist mit Wasser bedeckt und das Phytoplankton nimmt hier durch seine Lebensweise eine aktive Rolle als CO2 Speicher und Sauerstoffproduzent ein.
Dadurch steht das Plankton an der Basis nicht nur der Nahrungspyramide. Die Meere sind Heimat vieler Lebewesen von gigantischen Säugetieren wie Mantas und Walhaien bis hin zu bizarren Tiefsee Lebewesen. Es sind jedoch die Mikroorganismen wie Grünalgen, Kieselalgen, Cyanobakterien, die all das ermöglichen. Das planzliche Plankton steht dabei an der Basis der Nahrungspyramide und wird vom Zooplankton gefressen, das wiederum anderen Tieren als Nahrungsgrundlage dient. Eine Kette, die immer auf dem Phytoplankton als autotrophen Lebewesen aufbaut.
Der Mensch ist dabei, der Nahrungspyramide in den Ozeanen das Fundament langsam zu zerstören. Inzwischen gilt es als ausgemacht, dass die durch den Klimawandel steigenden Temperaturen an der Wasseroberfläche die Menge des Phytoplanktons verringern. Wie groß der Effekt aber ist, und wie er sich in den vergangenen Jahrzehnten entwickelt hat, galt lange Zeit unbekannt.
Die Zahlen des Rückgangs sind jedoch erschreckend. Seit 1899 ist die Masse des Phytoplanktons im globalen Durchschnitt um jährlich ein Prozent gesunken, berichtet ein internationales Forscherteam im Fachblatt "Nature". Boris Worm von der Dalhousie University im kanadischen Halifax, einer der Autoren der Studie bestätigt: "Insbesondere ab Mitte des vergangenen Jahrhunderts seien die Zahlen zuverlässig." Seit 1950 sei die Masse an Phytoplankton im weltweiten Durchschnitt um 40 Prozent zurückgegangen. Der Sauerstoffgehalt in den Weltmeeren hat seit 1960 im Schnitt um mehr als zwei Prozent abgenommen, so das Ergebnis einer Studie des Geomar Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung aus dem Jahr 2017.

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