Mikrobielles Leben in den Rauchfahnen arktischer Hydrothermalquellen

Heiße Quellen am Meeresboden, sogenannte Schwarze Raucher, sind quasi Unterwasser-Vulkane. Sie entstehen an den Rändern von Kontinentalplatten tief am Meeresgrund und speien heißes Wasser voller Mineralien, Sulfide und anderer Inhaltsstoffe in die kalten Ozeane. Die schwarzen Raucher spielen eine entscheidende Rolle für die Stoffflüsse und –bilanzen der Ozeane. Forschende aus unserer HGF-MPG-Brückengruppe für Tiefsee-Ökologie und -Technologie haben kürzlich an der Expedition PS137 der FS POLARSTERN teilgenommen. Unterstützt wurde die Teilnahme durch Mittel der Andreas Rühl Stiftung. Die Forschenden um Gunter Wegener und Christopher Klaembt haben unter anderem untersucht, wie die Mikroorganismen der Tiefsee von der in den Hydrothermalfluiden – also quasi den Rauchfahnen der Unterwasservulkane – gebundenen chemischen Energie in profitieren.

„Während der Forschungsexpedition PS 137 vom 21. Juni bis zum 31. Juli 2023 haben wir zwei hydrothermale Felder besucht“, berichtet Wegener. „Das bereits bekannte Aurora Hydrothermalfeld haben wir mit dem Tiefsee-Tauchroboter NUI der NASA kartiert und haben dabei sieben aktive hydrothermale Schlote gefunden. In den zuvor nicht kartierten Bereich des mittelozeanischen Rückens ‚Lucky B‘ haben wir ein neues Hydrothermalfeld entdeckt. Um die Teilnahme an der Expedition zu erleichtern, sowohl für Reise- als auch Verbrauchsmittel, standen uns Spendengelder der Andreas Rühl Stiftung zur Verfügung – dafür bedanken wir uns ganz herzlich!“

Das Team Mikrobiologie um Wegener untersuchte die biologischen Prozesse sowie die Mikroorganismen in den Rauchfahnen der schwarzen Raucher. Mithilfe des Tauchroboters nahmen sie Proben direkt aus den Schloten. Wasserproben aus der Rauchfahne (2500 – 4000 Meter Wassertiefe) wurden mit einem Kranzwasserschöpfer gewonnen. In den Rauchfahnen-Proben maßen die Forschenden die Konzentrationen von Methan und Wasserstoff mithilfe der Gaschromatographie.  Die Schlote stoßen große Mengen Wasserstoff und Methan im Verhältnis 30:1 aus. In den aufsteigenden Wolken wird das Fluid stark verdünnt, aber das Verhältnis von Wasserstoff zu Methan bleibt gleich. Im weiteren Verlauf dehnt sich die Rauchwolke nur noch langsam seitlich aus. Je weiter man von der Quelle entfernt, desto geringer wird das Wasserstoff-Methan-Verhältnis. Den Grund dafür untersuchten die Forschenden in Inkubationsexperimenten. „Mikroorganismen bauen den Wasserstoff in den Rauchfahnen zügig ab, wohingegen Methan verschmäht wird“, so Wegener. „Dies ist erstaunlich, da am Meeresboden viele Methan-abbauende Bakterien leben, und der Abbau von Methan in der Wassersäule thermodynamisch ebenso günstig wie die Wasserstoffoxidation ist. Unsere Daten lassen vermuten, dass nur die Wasserstoff-Abbauer schnell genug wachsen, um in der sich rasch verdünnenden Wolke aktive Biomasse aufzubauen.“

Wer sind die Wasserstoffabbauer? Wie schaffen sie es, in der eiskalten arktischen Tiefsee (−1°C) dennoch schnell zu wachsen und so den Wasserstoff effektiv zu nutzen? Welche charakteristischen Membranlipide bilden diese noch unkultivierten Organismen? Gibt es wirklich keine Methan-fressenden Bakterien in der Wassersäule? In diese Fragestellungen wird sich Christopher Klaembt in seiner von Gunter Wegener betreuten Masterarbeit vertiefen. Dafür hat Klaembt während der Fahrt viele Wasserproben filtriert, und mehrere Inkubationsexperimente durchgeführt. Im Heimlabor wird er das Erbmaterial der Bakterien extrahieren und sie sequenzieren. Um die Membranlipide der noch unbekannten Wasserstoff-Oxidierer zu identifizieren, hat er große Mengen Wasser mit isotopisch markiertem anorganischen Kohlenstoff (¹³C) und isotopisch markiertem Wasser (²H₂O) inkubiert. Beide Stoffe sollten von den aktiven Wasserstoff-Abbauern während der Lipidsynthese eingebaut werden, und so Isotopenspuren in den Lipiden hinterlassen.