Einführung in die Marinen Umweltwissenschaften

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1 Einführung in die Marinen Umweltwissenschaften Mikrobiologische Grundlagen - Rolle der Mikroorganismen in der Natur - Beispiel Meer - Biogeochemie, Mikrobielle Ökologie, Umweltmikrobiologie - Dogma der biologischen Unfehlbarkeit 1

2 Das Meer 362 Mio km 2 mittlere Tiefe 3700 m: cm 3 1 cm 3 Meer Wasser: 1/ Moleküle Salze: ~3.5 %, Na, Cl, Mg, SO 2-4, Silikat,... Temperatur: -1.7 bis 27 C Gase: N 2, O 2, CO 2,... Organismen: Diatomeen, (Dino-)flagellaten, Bakterien,... Organische Substanzen: Partikel, Gel, Gelöste Stoffe Das Meer 1 cm 3 Organismen Organismen: Diatomeen, (Dino-)flagellaten, Bakterien Wo erfahren Sie etwas über die Mikroorganismen im Meer? 2

3 Homepage mikrobiologischer-garten.de www. mikrobiologischer-garten.de 3

4 Bücher: Bücher (1) (auch auf Deutsch) Bücher (2) 4

5 Das Meer 1 cm 3 Meerwasser 1 cm 3 Meer Organismengruppe: Phytoplankton in der Nordsee Primärproduktion: CO 2 + H 2 O <CH 2 O> + H 2 O Fiktive Biomasse-Einheit Wovon hängt ab, wieviel Primärproduktion es gibt? 1 cm 3 Meer Licht, Temperatur, limitierende chemische Verbindungen Was sind limitierende Faktoren? N, P, Fe, Si, CO 2 Entscheidend sind Substanzen, die (fast) nicht da sind! Liebig's Gesetz vom Minimum... Redfield-Verhältnis im Plankton: C:N:P = 106:16:1 Verbesserte Formel für Biomasse <CH 2 O> : <C 106 H 263 O 110 N 16 P 1 > Neben N und P ist Fe im offenen Ozean oft limitierender Faktor. 5

6 Bakterien in der Nordsee 1 cm 3 Meer Wovon hängt die Anzahl der Bakterien ab? Z - V : Zuwachs - Verbrauch Befinden wir uns im Fließgleichgewicht (steady state)? steady state: Z = V Sehe ich die Bakterien im Mikroskop? Abstand 10 6 pro ml, 10 4 pro 10 µl, Deckglas 20 x 20 mm 2 = 400 mm 2 Gesichtsfeld 0.2 x 0.2 = 0.04 mm 2, => 1 Zelle pro Gesichtsfeld 1 mm 10 6 Bakterien cm -3 = 10 3 Bakerien mm -3 1 mm 1 mm Abstand der Bakterien voneinander Bei gleichmäßiger Verteilung >100 µm Oft aggregiert auf Flocken => dichter bzw. noch weiter auseinander 6

7 Vergleich: Phytoplankton Bakterien (Nordsee) 1 cm 3 Meer Bakterien haben 1/3 der Biomasse und eine Produktion von etwa 1/6 der Primärproduktion. 1 cm 3 Meer Simon et al.: Bacteria in Lakes and Oceans Je weniger Phytoplankton desto größer der Anteil der Bakterien an der Biomasse und an der Produktion. 7

8 DOC Meerwasser ist für Bakterien wie ein Gel. In 1 cm 3 befinden sich mehr als 1000 km polymere Verbindungen. z.b.: 1mm DNA pro Bakterium = 1 km pro 10 6 Bakterien DNA macht nur 1 % der Bakterien-Trockenmasse aus, das meiste sind Protein und Polysaccharide Bakterien haben nur einen Bruchteil des C im Vergleich mit gelösten und partikulären organischen Substanzen (DOC, POC) Nordsee 8

9 Was tun die Bakterien? Nahrungskette Nahrungskette? Lineares Denken... Wie kann es dazu kommen, das der Anteil der Bakterien an der Produktion und Biomasse bei sinkender Produktion zunimmt? Nahrungsnetz Nahrungsnetz Mafia oder die heimlichen Chefs Microbial Loop: Die Bakterien stehen nicht am Ende der Nahrungskette sondern sind aktiv als Konkurrenten um Nährstoffe (N, P, Fe) und Verwerter gelöster organischer Substanzen. 9

10 Lineares Denken... Eisen Eisen im Meer Primärproduktion Primärproduktion im Meer marin: t CO 2 a -1 terrestrisch: t CO 2 a -1 Euphotische Zone Mittlere Produktion der Ozeane: 69 g C m -2 a -1 Merke: 1 Tafel Schokolade pro Jahr und m 2 10

11 Sedimentation Meyer-Reil u. Köster: Mikrobiologie des Meeresbodens Prozesse in einem Sediment 11

12 Abbau Biologische Umwege... Nur die Hälfte der organischen Substanz wird direkt mit Sauerstoff als Elektronenakzeptor oxidiert Die andere Hälfte wird vergoren und mit Hilfe von Sulfatreduktion oxidiert Das gebildete Sulfid wird mit der Hälfte des verbrauchten Sauerstoffs (durch lithotrophe Bakterien) reoxidiert 12

13 Wieviele Prokaryoten gibt es auf der Erde und wo sind sie zu finden? Prokaryoten global Wieviel Atome gibt es im 80 Prokaryoten auf der Erde 4-6 * davon Zellen in offenen Ozean 1.2 * in marinen Sedimenten 3.5 * im Boden und sub-terrestrisch * Biomasse der Prokaryoten: g Kohlenstoff = % des Kohlenstoffs der Pflanzen auf der Erde Whitman, W.B., Coleman, D.C. and Wiebe, W.J. (1998) Prokaryotes: The unseen majority. Proc Nat Acad Sci USA 95: Forschergruppe "BioGeoChemie des Watts" 13

14 Forschungsschiff 'JOIDES Resolution' (Integrated Ocean Drilling Program) Bakterienzählung durch Epifluoreszenz-Mikroskopie nach Anfärbung mit DAPI 14

15 Populationen sulfatreduzierender Bakterien im obersten Zentimeter eines Sediments Watt Vergleich von amplifizierten 16 S rrna-banden von Reinkulturen und Sediment (0-10 mm) aus Schiermonnikoog durch Denaturierende Gradienten-Gel- Elektrophorese (DGGE) Elze Wieringa Mit molekularbiologischen Methoden lassen sich lassen sich verschiedene Bakterien einer eng verwandten Gruppe nachweisen. Mikrokolonie Wachstum von Bakterien in einer Eisensulfid-Flocke 15

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