Metabolische Aktivität planktonischer Archaeen und ihre Bedeutung im marinen Kohlenstoffkreislauf

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Könneke
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289647370

Die Ozeane bedecken etwa drei Viertel unserer Erde und die Wassersäule stellt mit einer durchschnittlichen Tiefe von 4000 m einen der größten Lebensräume dar. In den letzten 20 Jahren wurden Mikroorganismen der Domäne Archaea als eine häufige und ökologisch wichtige Gruppe des Picoplanktons in allen Tiefenbereichen des Ozeans entdeckt. Durch die erfolgreiche Kultivierung in Reinkultur (Könneke et al. 2005) konnte die chemolithoautotrophe Lebensweise der häufigsten marinen Archaeengruppe eindeutig nachgewiesen werden. Die heute als Thaumarchaeota bezeichnete Gruppe gewinnt Energie durch die oxidative Umsetzung von Ammoniak mit Sauerstoff zu Nitrit und fixiert CO2 als Kohlenstoffquelle. Diese marinen Ammoniakoxidierenden Archaeen sind durch eine sehr hohe Affinität zu Ammoniak und einen energieeffizienten CO2-Fixierungsweg an die nährstoffarmen Bedingungen, wie sie in vielen Bereichen des Ozeans herrschen, angepasst. Aufgrund ihrer Physiologie und Häufigkeit wird angenommen, dass die Ammoniakoxidierenden Archaeen eine wichtige Rolle als dominante Nitrifizierer im N-Kreislauf als auch als Primärproduzenten im C-Kreislauf einnehmen. Wir postulieren, dass der in Thaumarchaeen nachgewiesene autotrophe Hypropionat/Hydroxybutyrat-Zyklus (HP/HB-Zyklus) den wichtigsten CO2-Fixierungsweg in den tiefen, dunklen Bereichen unterhalb der photischen Zone darstellt. Da bisherige Modelle zur Quantifizierung der pelagischen Chemoautotrophie auf veralteten physiologischen Kenntnissen beruhen, soll das hier beantragte Projekt den Beitrag von planktonischen Archaeen am C-Kreislauf und im Speziellen an der Chemoautotrophie durch organismenspezifische Methoden neu bewerten. Durch den Einbau von stabilen C- und H-Isotopen in spezifische Thaumarchaeenlipide soll hier erstmalig untersucht werden, wie aktiv Ammoniakoxidierende Thaumarchaeen in situ eigentlich sind und welche Wachstumsraten sie im Ozean aufweisen. In Kombination mit der Verteilung von neuen Markergenen des thaumarchaealen HP/HB-Zyklus und der NanoSIMS/HIS-SIMS Technologie soll der Beitrag von chemolithoautotrophen Archaeen an der pelagischen Primärproduktion im Ozean untersucht werden. Um die physiologischen und genetischen Eigenschaften von Thaumarchaeen der Tiefsee zu erforschen, sollen Vertreter dieser bisher nicht charakterisierten phylogenetischen Unterklasse unter naturnahen Bedingungen kultiviert und beschrieben werden. Zusammenfassend soll das hier beantragte Forschungsvorhaben zum Einen neue Erkenntnisse über die Biologie einer der weltweit häufigsten Organismengruppen liefern und zum Anderen zum biogeochemischen Verständnis des marinen C-Kreislaufs beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen