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10.12.2008 Kleine Helfer in der Not - Bakterien entgiften tödliches Meerwasser
Kleine Helfer in der Not - Bakterien entgiften tödliches Meerwasser
Schwefelwasserstoff ist berüchtigt für seinen Gestank nach faulen Eiern. Aber Schwefelwasserstoff riecht nicht nur übel, er ist auch hoch giftig. Beim Menschen kann Schwefelwasserstoff in hohen Konzentrationen innerhalb kurzer Zeit zum Tod führen. Auch der Küstenfischerei – die etwa 90 Prozent der gesamten weltweiten Fischerträge erwirtschaftet - droht Gefahr durch das giftige Gas. Die Überdüngung der Küstengewässer führt dazu, dass sich dort regelmäßig Sulfid bildet. Dieses kann die Fischbestände drastisch reduzieren.
Bakterien spielen dabei eine unredliche Rolle – schließlich werden sie unter anderem für die Enstehung des tödlichen Sulfids verantwortlich gemacht. Bakterien können aber auch als Retter in der Not auftreten, hat nun eine internationale Gruppe von Forschern vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen, dem National Marine Information & Research Centre aus Namibia, dem Institut für Ostseeforschung Warnemünde und der Abteilung für Mikrobielle Ökologie der Universität Wien festgestellt. Deren überraschendes Ergebnis: Vor der Küste Namibias entgifteten die Mikroorganismen eine Fläche von etwa 7000 Quadratkilometern - fast dreimal so groß wie Luxemburg.
Bakterien spielen dabei eine unredliche Rolle – schließlich werden sie unter anderem für die Enstehung des tödlichen Sulfids verantwortlich gemacht. Bakterien können aber auch als Retter in der Not auftreten, hat nun eine internationale Gruppe von Forschern vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen, dem National Marine Information & Research Centre aus Namibia, dem Institut für Ostseeforschung Warnemünde und der Abteilung für Mikrobielle Ökologie der Universität Wien festgestellt. Deren überraschendes Ergebnis: Vor der Küste Namibias entgifteten die Mikroorganismen eine Fläche von etwa 7000 Quadratkilometern - fast dreimal so groß wie Luxemburg.
Abb. 2: Konzentration von Sulfid und Sauerstoff im Bodenwasser vor der namibischen Küste im Januar 2004. Die linke Abbildung zeigt die Menge an Sulfid, die sich zwei Meter über dem Meeresboden im Wasser befindet. Die rote Färbung zeigt besonders hohe, die blaue vergleichsweise geringe Mengen an. Rechts sieht man die zeitgleich vorhandene Menge an Sauerstoff. In der dunkelblau gefärbten Region ist das Wasser völlig sauerstofffrei. An der Wasseroberfläche war diese Sulfidwolke nicht zu erkennen und wurde daher auch nicht von Satelliten registriert. (Abb. der Publikation entnommen)
Die Forscher untersuchten das Auftreten von Sulfidwolken vor der westafrikanischen Küste. Im Frühjahr 2004 stießen sie auf eine solche Wolke einer Größe von etwa 7000 km2, die über dem Meeresboden schwebte. An der Meeresoberfläche lagerte eine Schicht sauerstoffreichen Wassers. In Anwesenheit von Sauerstoff wird das giftige Sulfid abgebaut (oxidiert) und in ungiftigen Schwefel umgewandelt. Erstaunlicherweise fanden Lavik, Stührmann, Kuypers und ihre Kollegen zwischen dem Tiefen- und dem Oberflächenwasser eine Schicht, in der weder Sulfid noch Sauerstoff vorhanden war. Wohin verschwand das Gift?
“Ganz offensichtlich wurde es anaerob – also ohne Sauerstoff – oxidiert”, erklärt Torben Stührmann. “Viele Bakterien brauchen zum ‚Atmen’ keinen Sauerstoff sondern nutzen stattdessen Nitrat. Und tatsächlich fanden wir überlappende Wasserschichten von Sulfid und Nitrat.”
Diese Übergangsschicht ist der Lebensraum der entgiftenden Bakterien. Diese sind eng verwandt mit Bakterien von heißen und kalten Tiefseequellen. Mit Hilfe des Nitrats wandeln sie das Sulfid in fein verteilte Schwefelpartikel um, die ungiftig sind. So schaffen die Mikroorganismen eine Pufferzone zwischen dem giftigen Tiefenwasser und der sauerstoffreichen Wasseroberfläche und retten damit Fischen und anderen Meerestieren das Leben und zahlreichen Fischern ihre Fänge.
“Ganz offensichtlich wurde es anaerob – also ohne Sauerstoff – oxidiert”, erklärt Torben Stührmann. “Viele Bakterien brauchen zum ‚Atmen’ keinen Sauerstoff sondern nutzen stattdessen Nitrat. Und tatsächlich fanden wir überlappende Wasserschichten von Sulfid und Nitrat.”
Diese Übergangsschicht ist der Lebensraum der entgiftenden Bakterien. Diese sind eng verwandt mit Bakterien von heißen und kalten Tiefseequellen. Mit Hilfe des Nitrats wandeln sie das Sulfid in fein verteilte Schwefelpartikel um, die ungiftig sind. So schaffen die Mikroorganismen eine Pufferzone zwischen dem giftigen Tiefenwasser und der sauerstoffreichen Wasseroberfläche und retten damit Fischen und anderen Meerestieren das Leben und zahlreichen Fischern ihre Fänge.
Diese Erkenntnisse, die nun im Fachjournal „Nature“ veröffentlicht wurden, sind nicht nur für die Fischerei vor der Küste Westafrikas bedeutsam. Sie legen nahe, dass auch und gerade Lebensgemeinschaften am Meeresboden deutlich öfter als vermutet von den giftigen Wassermassen betroffen sind. Denn das Auftreten sulfidischer, giftiger Wassermassen wurde bisher mit Hilfe von Satelliten überwacht, die auf ihrer Umlaufbahn Bilder von der Meeresoberfläche machen. Der von Bakterien aus dem Sulfid gebildete Schwefel im Oberflächenwasser ist als weißlich-türkise Verfärbung zu erkennen. Werden die Sulfidwolken aber bereits in tieferen Wasserschichten abgebaut, sind sie für die Satelliten nicht zu erkennen. “Wir gehen daher davon aus”, erklärt die namibische Meereskundlerin Anja van der Plas, “dass es deutlich mehr dieser sulfidischen Ereignisse gibt, als bisher vermutet. Sie wurden nur mit den konventionellen Methoden übersehen.”
Abb. 5: Grindwale umschwimmen das Forschungsschiff „A. v. Humboldt“ in großer Dichte (Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Gaute Lavik). Die giftige Sulfidwolke im Tiefenwasser treibt alle schwimmenden Lebewesen an die Meeresoberfläche. Daran weiden sich Wale und Delphine ebenso wie Seehunde, Kalmare und riesige Fischschwärme. Letzere ziehen Seevögel an, die zahlreich über dem Gebiet kreisen. “Noch nie habe ich so viele Meerestiere an einem Fleck gesehen wie über der Sulfidwolke”, sagt Fahrtleiter Ulli Lass.
“Unsere Entdeckung einer entgiftenden Bakterienblüte hat sowohl einen positiven als auch einen beunruhigenden Aspekt“, fasst Gruppenleiter Marcel Kuypers zusammen. „Schwefelwasserstoff ist giftig für höheres Leben und tötet Fische, Krabben und sogar Hummer schon in niedrigen Konzentrationen. Die gute Neuigkeit: Die nun entdeckten Bakteriengruppen verbrauchen augenscheinlich das gesamte Sulfid, ehe es das von Fischen bevölkerte Oberflächenwasser erreicht. Besorgniserregend ist aber, das ein Gebiet so groß wie das Wattenmeer von sulfidischem Bodenwasser betroffen sein kann, ohne dass wir es mit Satellitenmessungen oder Überwachungsstationen an der Küste bemerken.”
Massensterben von Meereslebewesen durch Erstickung gibt es übrigens nicht nur vor Namibia, wo diese sulfidischen Ereignisse natürlich auftreten. Ähnliche Berichte liegen beispielsweise aus Kalifornien, Indien und dem Golf von Mexiko, aber auch aus europäischen Küstengewässern vor. “Es gibt zahlreiche Hinweise, dass die Überdüngung durch den Menschen und die globale Erwärmung in Zukunft noch deutlich öfter zum Auftreten von Sauerstoffarmut in Küstengewässern führen werden. Damit steigt auch die Gefahr sulfidischer Wassermassen”, erklärt Gaute Lavik. “Doch wir können das Auftreten der Sulfidwolken nun zu bestimmten Umweltbedingungen in Beziehung setzen. Das eröffnet die Möglichkeit, zukünftig solche Ereignisse vorherzusagen.”
Hintergrund: Todbringender Schwefelwasserstoff
Schwefelwasserstoff entsteht überall dort, wo menschliche, tierische oder pflanzliche Materie verfault und abgebaut wird. Der auffällige Geruch stellt eine eindringliche Warnung vor dem giftigen Gas dar. Zunächst reizt das Gas Augen und Atemwege. Bei Einwirkung sehr hoher Konzentration kann es innerhalb weniger Sekunden zum Atemstillstand führen.
Einige Forscher machen Schwefelwasserstoff sogar für das massenhafte Aussterben zahlreicher Tier- und Pflanzenarten in der früheren Erdgeschichte verantwortlich. Eine sinkende Sauerstoffkonzentration in den Ozeanen können demnach dazu führen, dass der Schwefelwasserstoff aus den tieferen Wasserschichten an die Oberfläche steigt und dort in die Atmosphäre blubbert – wo er dann seine giftige Wirkung auf die Landlebewesen entfaltet.
Einige Forscher machen Schwefelwasserstoff sogar für das massenhafte Aussterben zahlreicher Tier- und Pflanzenarten in der früheren Erdgeschichte verantwortlich. Eine sinkende Sauerstoffkonzentration in den Ozeanen können demnach dazu führen, dass der Schwefelwasserstoff aus den tieferen Wasserschichten an die Oberfläche steigt und dort in die Atmosphäre blubbert – wo er dann seine giftige Wirkung auf die Landlebewesen entfaltet.
Fanni Aspetsberger
Rückfragen an:
Dr. Marcel Kuypers 0421 2028 647
Dr. Gaute Lavik 0421 2028 651
Torben Stührmann 0421 2208 322
oder an die Pressesprecher
Dr. Manfred Schlösser 0421 2028 704
Dr. Fanni Aspetsberger 0421 2028 704
Dr. Marcel Kuypers 0421 2028 647
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Dr. Fanni Aspetsberger 0421 2028 704
Originalartikel:
Detoxification of sulphidic African shelf waters by blooming chemolithotrophs. Gaute Lavik*, Torben Stührmann*, Volker Brüchert, Anja Van der Plas, Volker Mohrholz, Phyllis Lam, Marc Mußmann, Bernhard M. Fuchs, Rudolf Amann, Ulrich Lass & Marcel M. M. Kuypers.
DOI 10.1038/nature07588
* Diese Autoren haben zu gleichen Teilen zur Arbeit beigetragen.
Beteiligte Institute:
Max Planck Institute for Marine Microbiology, Celsiusstrasse 1, 28359 Bremen, Germany
National Marine Information & Research Centre Ministry of Fisheries & Marine Resources, PO Box 912, Swakopmund, Namibia.
Baltic Sea Research Institute Warnemünde, Seestrasse 15, D-18119 Rostock, Germany.
Department of Microbial Ecology, Vienna Ecology Centre, University of Vienna, Althanstraße 14, A-1090 Vienna, Austria
Detoxification of sulphidic African shelf waters by blooming chemolithotrophs. Gaute Lavik*, Torben Stührmann*, Volker Brüchert, Anja Van der Plas, Volker Mohrholz, Phyllis Lam, Marc Mußmann, Bernhard M. Fuchs, Rudolf Amann, Ulrich Lass & Marcel M. M. Kuypers.
DOI 10.1038/nature07588
* Diese Autoren haben zu gleichen Teilen zur Arbeit beigetragen.
Beteiligte Institute:
Max Planck Institute for Marine Microbiology, Celsiusstrasse 1, 28359 Bremen, Germany
National Marine Information & Research Centre Ministry of Fisheries & Marine Resources, PO Box 912, Swakopmund, Namibia.
Baltic Sea Research Institute Warnemünde, Seestrasse 15, D-18119 Rostock, Germany.
Department of Microbial Ecology, Vienna Ecology Centre, University of Vienna, Althanstraße 14, A-1090 Vienna, Austria
Abb.1: Spitze des Eisbergs? Verfärbtes Oberflächenwasser vor Namibia, das durch die Freisetzung giftigen Schwefelwasserstoffs aus dem Meeresboden entsteht. Satelliten erfassen möglicherweise nur einen Teil dieser natürlich auftretenden Ereignisse, da die von Torben Stührmann entdeckten Bakterien das Sulfid verbrauchen, ehe es die Wasseroberfläche erreicht. (Jacques Descloitres, MODIS Rapid Response Team, NASA/GSFC, http://visibleearth.nasa.gov/view_rec.php?id=4976)
Abb. 3: Siegfried Krüger, Techniker vom Institut für Osteseeforschung Warnemünde, bei der Arbeit an seiner Pump-CTD. (Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Gaute Lavik)
Abb. 4: Autor Gaute Lavik und Technikerin Gabriele Klockgether bei der Arbeit an Bord der "A. v. Humboldt". (Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Gaute Lavik)