Mikrobielle aktivität im inneren Ozean

Mit dem Forschungsvorhaben wollen wir eines der größten ungelösten Probleme der Mikrobiellen Ozeanographie und der marinen Biogeochemie einer Lösung näher bringen, nämlich die Diskrepanz zwischen dem Angebot an organischem Kohlenstoff und dem Kohlenstoffbedarf heterotropher Organismen im Ozean unterhalb der euphotischen Zone. Eine der größten Unsicherheiten in den Modellen des Kohlenstoffflusses der aphotischen Zone der Ozeane ist, daß bisher mikrobielle Umsatzraten fast ausschließlich unter Oberflächendruckbedingungen gemessen wurden. Wir werden in dem vorliegenden Forschungsvorhaben mikrobielle Kohlenstoffumsatzraten unter in situ Druckbedingungen entlang eines Transektes im Nordatlantik messen, wobei wir dem Fluß des Nordatlantischen Tiefenwassers folgen. Wir werden die mikrobielle Biomasseproduktion, Respiration und die Ektoenzymaktivität unter in situ in Druckbedingungen an Proben aus dem Tiefwasser messen und mit denen vergleichen, die unter Oberflächendruckbedingungen erhoben werden, wie allgemein üblich. Weiters werden die interspezifischen Unterschiede in der Sensitivität einzelner Prokaryotengruppen auf Druckänderungen erfasst, ebenso wie der Anteil piezophiler (`druckliebender`) Prokaryoten an der Gesamt-Prokaryotenzahl entlang des Breitengradienten. Dieses Forschungsvorhaben wurde durch extensive Vorarbeiten über Planung und Bau von Hochdruckinkubationsgefässen aus Titan ermöglicht. Nach mehrjähriger Vorbereitung und intensivem Testen sind die Hochdrucksysteme nun funktionstüchtig und frei von jeglicher Kontamination. Diese Hochdrucksysteme werden anstelle herkömmlicher Sammel-Flaschen in den CTD-Rahmen montiert und gesteuert wie die herkömmlichen Sammelsysteme, etwa Niskin-Flaschen. Wir haben daher die technischen Möglichkeiten den potentiellen Fehler bei der Messung der mikrobiellen Aktivitäten im Tiefwasser unter realistischen Druckbedinungen zu messen. Kombiniert mit Aktivitätsmessungen an Einzelzellen durch Mikroautoradiographie und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung einerseits und mit stabilen Isotopen und Halogen-in-situ-Hybridisierung und NanoSIMS andererseits, wird es möglich sein, das Problem der in situ-Aktivität der Prokaryotengemeinschaften im ozeanischen Tiefenwassser zu klären. Durch dieses Forschungsvorhaben werden neue Erkenntnisse gewonnen, die nicht nur für die Marine Mikrobielle Ökologie außerordentlich bedeutsam sind, sondern auch in die Modelle des ozeanischen Kohlenstoffflusses eingehen werden.

Die Rolle der Druckverhältnisse in der Tiefsee auf die dort lebenden Mikroorganismen wurde in diesem Projekt untersucht. Generell hat der hohe hydrostatische Druck, der in der Tiefsee herrscht und auf die Mikroorganismen einwirkt, relativ wenig Einfluss auf deren Aktivität. Die Stoffwechselaktivität der Tiefseemikroben unter Tiefseedruckbedingungen beträgt ca. 80% der Aktivität gemessen unter dekomprimierten, also drucklosen Bedingungen. Das impliziert, dass der überwiegende Teil der mikrobiellen Gemeinschaft in der Tiefsee relativ unempfindlich gegenüber Druck bis zu 700 bar ist. Dieses Ergebnis ist unerwartet, da seit mehr als 50 Jahre bekannt ist, dass es drucksensitive Bakterien gibt, die nur unter hohem Druck, wie er in der Tiefsee herrscht, wachsen können, nicht aber unter Druckbedingungen, wie er an der Meeresoberfläche herrscht. Diese, an hohen Druck angepassten, Mikroorganismen würden den Großteil der mikrobiellen Gemeinschaft der Tiefsee ausmachen, vermutete man. In dem vorliegenden Projekt konnte allerdings gezeigt werden, dass drucksensitive Mikroben in der Tiefsee nur einen kleinen Teil der Mikroben-Gemeinschaft darstellen. Um diese Experimente durchführen zu können wurden Hochdruck-Sammelgefäße und Inkubatoren verwendet, die eigens für dieses Projekt zum Einsatz kamen. Mit diesen Sammelgefäßen war es möglich Wasserproben aus bis zu 7000 m Tiefe zu sammeln und die Stoffwechselaktivitäten der Mikroben unter dem dort herrschenden Druck (ca 700 bar) zu messen und mit Proben zu vergleichen, die vor der Aktivitätsmessung dekomprimiert wurden. Die Messungen wurden während einer Forschungsfahrt im Mittelmeer und zwei Fahrten im Nordatlantik gemacht. Aufgrund dieser Messungen konnten wir nun schlüssig nachweisen, dass der in der Tiefsee herrschende Druck den überwiegenden Teil der dort lebenden Mikrobengemeinschaft nicht wesentlich beeinflusst. Da diese Mikroben den wesentlichen Teil des Stoffwechsels und somit der biogeochemischen Zyklen im Meer betreibt ist es außerordentlich wichtig verlässliche Messungen der Stoffumsatzraten der Mikroorganismen auch aus der Tiefsee zu haben. Um diese Messungen durchzuführen, ist es somit nicht notwendig aufwendige Sammelgefäße zu haben, um den Umgebungsdruck der Mikroben beizubehalten.