(10. Mai 2012) Algenblüten zieren Jahr für Jahr die Küsten der gemäßigten Breiten. Wenn im Frühjahr die Sonne wieder mehr scheint, findet das Farbenspiel auch in der Deutschen Bucht statt. Auf die Algenblüte folgt eine „Bakterienblüte“, die sich von den Überresten der Algen ernährt. Wie die vielen verschiedenen Bakterienarten im gleichen Habitat zusammenleben können, ohne, sich gegenseitig Konkurrenz um die Nährstoffe zu machen und sich deshalb zu verdrängen, fragten sich Forscher schon lange. Dem sogenannten „Plankton-Paradoxon“ ging ein Team um Hanno Teeling und Rudolf Amann vom Max Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen auf die Spur.
Teeling und Co. untersuchten die Zusammensetzung der Bakterienblüte in der Deutschen Bucht – dem Nordseeküstenabschnitt vor Dänemark, Deutschland und den Niederlanden – im Frühjahr 2009. Dazu filterten sie vor Helgoland zweimal wöchentlich 500 Liter Oberflächenmeerwasser und trennten es in zwei Fraktionen mit Mikroorganismen unterschiedlicher Größe: kleinere, frei im Wasser lebende Bakterien und größere Algen samt Bakterien, die sich an Partikel heften. Zudem bestimmten sie täglich Nährstoffparameter wie Chlorophyll a-, Phosphat- oder Nitratgehalt des Meerwassers. Die Algenzusammensetzung betrachteten sie unter dem Mikroskop, die Bakterienzusammensetzung analysierten sie auf Gattungsebene mit catalyzed reporter deposition fluorescence in situ hybridization (CARD-FISH) und 16SrRNA-Analysen.
Vor der Algenblüte fanden die Forscher hauptsächlich Alphaproteobakterien wie Roseobacter. Mit Einsetzen der Algenblüte traten beispielsweise mehr Flavobakterien auf, mit deren Abklang eher Gammaproteobakterien. Die verschiedenen Bakterioplankton-Arten besetzten im zeitlichen Verlauf Mikro-Nischen und bauten nacheinander die Bestandteile der Algen zu immer kleineren Bausteinen ab, sodass sie sich im Kampf um Substrate nicht in die Quere kamen. Eine Metagenom/-proteom-Analyse zeigte, welche Schlüsselenzyme zu welchen Zeiten am Abbau beteiligt waren (Teeling et al., Science 2012, 336(6081):608-11).
Schon während der frühen Algenblüte gingen die Bakterien den Algen allmählich an die Substanz: sie exprimierten Laminarinasen, die den Energiespeicher der Algen, das Kohlenhydrat Laminarin, abbauten; gleichermaßen Fucosidasen zum Abbau des Hauptexopolysaccharids Fucose der Kieselalgen (Diatomeen). In diesem frühen Stadium vermehrten sich zum Beispiel Bacteroidetes, schnell wachsende r-Strategen, die komplexe organische Substrate abbauen können. Zudem kamen unterschiedliche Transportsysteme zum Einsatz: Flavobakterien exprimierten beispielsweise TonB-abhängige Transporter (TBDT), mit denen sie größere Moleküle wie Oligosaccharide direkt in die Zelle transportieren konnten und nicht warten mussten, bis diese zu kleineren Stücken abgebaut wurden.
Bakterien mit Transportern wie TRAP (tripartite ATP-independent periplasmatic transporter), die eher kleine Moleküle mit niedrigen Molekulargewichten aufnehmen konnten, beispielsweise Reinekea aus der Gruppe der Gammaproteobakteria, mussten auf ihre Substrate – Peptide, Phosphate, Monosaccharide – länger warten. Die letzten, schwer abbaubaren Reste der Algen-Kohlenhydrate wurden gegen Ende der Algenblüte mit Sulfatasen geknackt, indem die Sulfatester abspalten wurden.
Zu verschiedenen Zeitpunkten herrschten also jeweils spezialisierte Bakterienarten in Mikro-Nischen vor, die die gerade vorhandenen Substrate optimal verwerten konnten. Mit diesem Wissen können die Wissenschaftler nun das „Plankton-Paradoxon“ weiter angehen und klären unter welchen Vorzeichen sich die einzelnen Spezies behaupten können.
Doch auch für den Bakterioplankton war die Blütezeit nicht endlos. Mit dem Knapperwerden der Nahrung aus dem Algenabbau klang auch die Bakterioplankton-Blüte wieder ab, sie wurde allmählich von Protozoen aufgefressen, zudem setzten Viren den Bakterien zu.
Valérie Labonté
Bilder (2): dioxin/photocase.com (Blütenmeer),
NASA images courtesy Jeff Schmaltz, MODIS Rapid Response Team, Goddard Space Flight Center (Deutsche Bucht)