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Forschungsgruppe Biogeochemie
In der Biogeochemie erforschen wir mikrobielle und geochemische Prozesse, die die Stoffkreisläufe biologisch relevanter Elemente im Meer steuern. Wir nutzen geochemische, mikrobielle und molekularbiologische Methoden sowie Modellierung und Einzelzell-Analysen, um herauszufinden, wie diese Prozesse durch ihre Umgebung reguliert werden und damit wiederum Einfluss auf globale biogeochemische Kreisläufe nehmen. Unser Ziel ist es, grundlegende neue Informationen über die mikrobiell gesteuerten Prozesse im Meer zu liefern. Letztendlich beeinflussen diese Prozesse die Chemie und Biologie des Meeres sowie das Klima. Die neuen Ergebnisse sind zentraler Bestandteil von Zukunftsmodellen, die mögliche Veränderungen durch menschliche Aktivität vorhersagen.
Neuigkeiten
20. November 2023
Farooq Jalaluddin hat erfolgreich seine Doktorarbeit verteidigt - Gratuliere, Dr. Jalaluddin! :)
17. Dezember 2021
Clarissa Karthäuser hat erfolgreich ihre Doktorarbeit verteidigt - Gratuliere, Dr. Karthäuser! :)
3. November 2021
Neue Publikation - Ganz ähnlich wie viele Landpflanzen leben Seegräser in Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien
Unsere neueste Publikation unter der Leitung von Wiebke Mohr ist gerade in Nature erschienen. Darin zeigen wir, wie ein symbiotisches Meeresbakterium Seegras mit Stickstoff versorgt. Ca. Celerinatimonas neptuna lebt in den Wurzeln des mediterranen Seegrases Posidonia oceanica und wandelt N2 in Ammonium um, welches es der Pflanze im Sommer zur Verfügung stellt, wenn die Nährstoff-N-Konzentration im umgebenden Meerwasser extrem niedrig ist. Als Gegenleistung für den gebundenen Stickstoff stellt das Seegras dem Bakterium wahrscheinlich Zucker zur Verfügung. Die metabolischen und genomischen Merkmale dieser Symbiose erinnern an jene, die zwischen terrestrischen N2-fixierenden Mikroorganismen und ihren pflanzlichen Wirten bestehen. In Anbetracht der enormen ökologischen Vorteile einer solchen Symbiose waren die Vorfahren des wurzelendophytischen Bakteriums wahrscheinlich ein Schlüsselfaktor, der es den Seegräsern ermöglichte, nährstoffarme marine Küstenumgebungen zu erobern, wo sie heute lebendige Ökosysteme bilden.
Hier finden Sie unseren Artikel, den begleitenden News & Views-Artikel von Doug Capone und die Pressemitteilung.
13. Oktober 2021
Miriam Philippi hat erfolgreich ihre Doktorarbeit verteidigt - Gratuliere, Dr. Philippi! :)
06. August 2021
Neue Publikation - Purpurschwefelbakterien als mögliche N2 Fixierer im Proterozoischen Ozean
Wer hätte gedacht, dass das purpur-farbene Wasser des Cadagno-Sees eine neue Perspektive auf die frühe N2-Fixierung auf der Erde bietet:
Auf einer Feldkampagne im Sommer 2018 führten Miriam Philippi und Co. Inkubationsexperimente durch, um die N2-Fixierung durch die mikrobielle Gemeinschaft in den sulfidischen, molybdänarmen Gewässern des Cadagno-Sees zu testen. Überraschenderweise waren Purpurschwefelbakterien (PSB) für hohe N2-Fixierungsraten verantwortlich, und sie verwendeten ein Enzym, von dem man annahm, dass es unter diesen molybdänarmen Bedingungen gar nicht an der N2-Fixierung beteiligt ist. Diese Erkenntnis lässt wichtige Rückschlüsse für die N2-Fixierung auf der frühen Erde zu: PSB waren auch im Proterozoikum vorhanden und könnten nach unseren Ergebnissen wesentlich zur bioverfügbaren N-Versorgung in den Licht-durchfluteten, sulfidischen Meeren des Proterozoikums beigetragen haben. Bisher wurde dieser wichtige Prozess für die Expansion der frühen Biosphäre den Cyanobakterien zugeschrieben.
Lesen Sie das Manuskript in Nature Communications, die dazugehörige Pressemitteilung und EOS Artikel von Elise Cutts.
Vielen Dank für die gute Zusammenarbeit mit unseren Kollegen von EAWAG und SUPSI!
03. März 2021
Neue Publikation - Anaerober Endosymbiont erzeugt Energie für Ciliaten-Wirt durch Denitrifikation
Unsere Publikation unter Federführung von Jon Graf und der Treibhausgase Gruppe über einen denitrifizierenden Endosymbionten, der Energie für seinen Ciliaten-Wirt erzeugt, ist gerade in Nature erschienen. Wir zeigen, dass der obligate Endosymbiont, Candidatus Azoamicus ciliaticola, für seinen Wirt, ein anaerobes Wimpertierchen, atmen und Energie erzeugen kann. Interessanterweise besitzt Azoamicus nur den Denitrifikationsweg anstelle von terminalen Oxidasen, was es seinem Wirt ermöglicht, Nitrat anstelle von Sauerstoff zu atmen. Diese beispiellose Symbiose zeigt die Möglichkeit auf, dass Eukaryoten mit Mitochondrienresten sekundär energieliefernde Endosymbionten erwerben können, um Funktionen ihrer Mitochondrien zu ergänzen oder zu ersetzen.
Lesen Sie den begleitenden News and Views Artikel von Lewis und Ettema und hören Sie sich den Nature Podcast an, in dem Jana Milucka über unsere Entdeckung spricht.
Die Pressemeldung zu unserem Artikel finden Sie HIER.
13. Februar 2021
Verbinden von "wer" und "was": Protokoll für kombinierte (CARD-)FISH- und nanoSIMS-Analysen zur Visualisierung spezifischer Mikroorganismen und Quantifizierung ihrer Aktivität in der Umwelt
Catalyzed-Reporter-Deposition-Fluorescence-in-situ-Hybridization (CARD-FISH) ist eine Bildgebungsmethode zur Identifizierung von Mikroorganismen in Umweltproben auf Basis ihrer Phylogenie. CARD-FISH kann mit Nano-Sekundärionen-Massenspektrometrie (nanoSIMS) kombiniert werden, um die Zellidentität direkt mit ihrer Aktivität zu verknüpfen, gemessen über die Aufnahme von stabilen Isotopen in hybridisierte Zellen nach Inkubation mit stabilen Isotopen. In der Umwelt-Mikrobiologie wird eine Kombination dieser Methoden verwendet, um die Identität und das Wachstum von nicht kultivierten Mikroorganismen zu bestimmen und die Faktoren zu erforschen, die ihre Aktivität kontrollieren. Darüber hinaus wird FISH-nanoSIMS weithin eingesetzt, um Interaktionen zwischen Mikroorganismen in der Umwelt zu visualisieren. Die Einzelzell-ExpertInnen der Abteilung für Biogeochemie haben ein Schritt-für-Schritt-Protokoll für die Kombination von CARD-FISH und nanoSIMS für das Buch "Fluorescence In-Situ Hybridization (FISH) for Microbial Cells" verfasst, das in der Reihe Springer Methods in Molecular Biology erschienen ist (Link).
Wir gratulieren Julia Dürschlag zur erfolgreichen Verteidigung ihrer Doktorarbeit (11/20/2020).
2. September 2020
Ist man wirklich das, was man isst? Eine neue Methode für Inkubationen mit stabilen Isotopen verhindert Cross-Feeding
Experimente mit stabilen Isotopen (SIP) sind ein wichtiges Werkzeug, um die Mikroorganismen zu identifizieren, die den Umsatz bestimmter Substrate in der Umwelt bestimmen, und um deren Einfluss auf biogeochemische Prozesse zu quantifizieren. Ein großes Problem bei SIP-Studien kann jedoch das Cross-Feeding sein, das zur fälschlichen Identifizierung von Organismen führt, die nicht direkt für den Prozess verantwortlich sind, sondern über ein mikrobielles Nahrungsnetz mit den Primär-Konsumenten verbunden sind. In einer gemeinsamen Studie, die im ISME Journal (Link) veröffentlicht wurde, beschreiben Kollegen der Universität Wien, der Universität Aalborg und des MPI für Marine Mikrobiologie eine neue Methode, die Cross-Feeding in SIP-Studien verhindert. Bei diesem Ansatz werden die Mikroorganismen auf einem Membranfilter dem kontinuierlichen Fluss eines Mediums ausgesetzt, das mit Isotopen markiertes Substrat enthält. Dadurch werden Metabolite und Abbauprodukte ständig entfernt, wodurch die Ansammlung dieser sekundären Substrate verhindert wird und somit die Primär-Konsumenten von anderen Mitgliedern der mikrobiellen Nahrungsnetze unterschieden werden können.
Herzlichen Glückwunsch zu einer der ersten Mitarbeiterinnen an unserem Institut: Swantje Lilienthal...
... 25 jähriges Dienstjubiläum! Wir freuen uns auf die nächsten Jahre.
August 2020
Die ersten Schritte zur Kohlenstoffsequestrierung in den Ozeanen
In einer neuen Studie in Scientific Reports beschreiben Hach et al., wie mikrobielle Aktivität im oligotrophen Oberflächenwasser des Nordatlantik die Umwandlung von gelöster organischer Substanz, die vom Phytoplankton freigesetzt wird, einleitet.
Gelöstes organisches Material (DOM) reichert sich in der Tiefsee an, weil es nicht leicht zu CO2 remineralisiert werden kann. Dieses so genannte rekalzitrante DOM stellt eine wichtige Kohlenstoffsenke dar und wird hauptsächlich in oligotrophen Ozeangebieten durch mikrobiellen Abbau von labilem, aus Phytoplankton stammendem DOM gebildet. Trotz der Tatsache, dass der DOM-Export 20% der ozeanischen CO2-Aufnahme ausmachen kann, ist die mikrobielle Transformation von labilem zu rekalzitrantem DOM kaum geklärt. Besonders wenig ist über die molekularen Veränderungen bekannt, die mit dieser Transformation einhergehen.
In dieser Studie (Link) haben wir im Nordatlantik durchgeführte Inkubationsexperimente mit stabilen Isotopen-Tracern und hochauflösenden Untersuchungen des DOM-Pools kombiniert. Mit dieser neuartigen Methodik konnten wir den direkten experimentellen Nachweis erbringen, dass innerhalb weniger Stunden nach der Freisetzung von labilem DOM dessen Abbau und Rekombination mit dem umgebenden DOM zur Bildung einer Vielfalt neuer Moleküle im oligotrophen Oberflächenwasser des Nordatlantik führt. Bisher ging man allgemein davon aus, dass eine solche molekulare Diversifizierung ein langsamer Prozess sei, der Monate bis Jahre dauere. Die große Diversität der Moleküle des DOM macht es resistenter gegen mikrobiellen Abbau. Der Export dieses rekalzitranten DOM hat zur Akkumulation von ~662Gt gelöstem organischem Kohlenstoff in der Tiefsee geführt. Folglich führt die unmittelbare Diversifizierung von DOM, die bereits im Oberflächenwasser stattfindet, zur Bindung von Kohlenstoff in der Tiefsee für Jahrtausende, was den anthropogenen Kohlenstoffemissionen teilweise entgegenwirkt.
24. März 2020
Neu in Scientific Reports: Golfballähnliche Sandkörner bieten eine ideale Struktur für mikrobielle Besiedlung
Sandige Sedimente bedecken mehr als 50% der Kontinentalschelfe und fungieren als biokatalytische Filter, die Kohlenstoff remineralisieren und Nährstoffe sehr effizient aus dem Wasser entfernen. Trotz des wachsenden Bewusstseins über die Bedeutung der sandigen Sedimente für den marinen Nährstoffkreislauf ist nur wenig über die Faktoren bekannt, die den Kohlenstoff- und Nährstoffumsatz steuern. In einer kürzlich erschienenen Publikation in Scientific Reports (Link) zeigen wir, dass die Oberfläche eines Sandkorns, die für die Besiedlung zur Verfügung steht, die Mikrobenzahl bestimmt und damit für die Regulierung von Umsatzraten essentiell ist. Überraschenderweise sind Sandkörner mit einer golfballartigen Struktur für die mikrobielle Besiedlung optimal, da sie dadurch sowohl Schutzstrukturen bieten als auch eine optimale Versorgung mit gelösten Stoffen sicherstellen.
Wir gratulieren Nadine Lehnen and Alexander Khachikyan zur erfolgreichen Verteidigung ihrer Doktorarbeiten, gerade noch rechtzeitig vor dem Lockdown - schön, dass wir noch ein bisschen feiern konnten! (13/03/2020).
7. Februar 2020
Intensiv leben, jung sterben: Warum marine Nitrit-Oxidierer den Ammoniak-Oxidierern zahlenmäßig unterlegen sind
Die Nitrifikation, die Oxidation von Ammoniak über Nitrit zu Nitrat, ist ein Schlüsselprozess im marinen Stickstoffkreislauf. Im Meer halten sich beide Schritte dieses Prozesses die Waage und der meiste verfügbare Stickstoff liegt in Form von Nitrat, dem Endprodukt der Nitrifikation, vor. Trotzdem sind die Ammoniak oxidierenden Archaeen (AOA) den wichtigsten Nitritoxidierern, den bakteriellen Nitrospinae, zahlenmäßig weit überlegen, wobei die ökophysiologischen Gründe für diese unterschiedliche Häufigkeit bisher unklar waren. In einer neuen Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde (Link), haben Wissenschaftler der Abteilung für Biogeochemie mit Kollegen der Universität Wien, der University of Southern Denmark und dem Georgia Institute of Technology gezeigt, dass Unterschiede in der Sterberate zwischen Nitrospinae und den AOA die Häufigkeit dieser wichtigsten marinen Nitrifizierer bestimmen, und nicht wie bisher angenommen Thermodynamik, Biomasseausbeute und Zellgröße.