Endosporen in der tiefen marinen Biosphäre: Verteilung, Häufigkeit und Funktion

• Antragsteller: Professor Dr. Kai-Uwe Hinrichs
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279667358

Wissenschaftliche Bohrungen haben die Existenz der tiefen mikrobiellen Biosphäre und ihre Bedeutung in Elementkreisläufen aufgezeigt. Dennoch bleibt unklar, wie diese wenig erforschten mikrobiellen Gemeinschaften mit dem mit der Versenkungstiefe zunehmenden Energiemangel umgehen. Wichtige Antworten könnten in der Grauzone zwischen extrem langsamem Wachstum, Ruhestadien und dem Sterben mikrobieller Gemeinschaften verborgen sein. Dabei könnten bakterielle Endosporen eine entscheidende Rolle spielen. Endosporen als strukturell einzigartige, resistente zelluläre Einheiten sind stoffwechselinaktiv und ruhend, aber unter günstigen Bedingungen fähig, Wachstum und Aktivität wieder aufzunehmen.Endosporen wurden bisher nur wenig bei der Erhebung der mikrobiellen Biomasse des Meeresbodens berücksichtigt. Es ist umstritten, ob fluoreszierende Farbstoffe in Endosporen eindringen und somit unklar, in wieweit diese bei Zellzählungen berücksichtigt werden. Ein alternativer Ansatz zielt auf den spezifischen Biomarker Dipicolinsäure (DPA) und hat kürzlich erste Endosporenkonzentrationen in der tiefen Biosphäre geliefert. Dabei deutet sich an, dass Endosporen ähnlich häufig sein könnten wie vegetative Zellen.Motiviert durch diesen Befund planen wir eine DPA-basierte Erhebung der Endosporenkonzentration im Meeresboden, wobei wir auf ein umfassendes Archiv an sachgerecht gelagerten Proben zurückgreifen können, die wir bei ODP und IODP Expeditionen (u.a. ODP Leg 201, IODP Exps. 301, 311, 315, 316, 317, 322, 329, 337) und anderen Ausfahrten gewinnen konnten. Mit der Erforschung der ökologischen Bedeutung von Endosporen in der tiefen Biosphäre greifen wir zwei globale Fragestellungen aus dem IODP Wissenschaftsplan auf: #5 Was ist der Ursprung, die Zusammensetzung und globale Bedeutung der tiefen Biosphäre? und #6 Was sind die Grenzen des Lebens der tiefen Biosphäre?Wir möchten die Hypothese prüfen, dass Endosporen einen großen, wenig beachteten Beitrag zur tiefen Biosphäre ausmachen. Dazu werden wir: a) DPA-basierte Endosporenabundanz in einem großen Probensatz diverser Sedimente erheben, für die Zellkonzentrationen und geochemische Daten vorliegen, und b) untersuchen inwiefern Endosporen bei bisherigen Erhebungen der mikrobiellen Biomasse berücksichtigt wurden. Eine verlässliche Quantifizierung von Endosporen erfordert zusätzlich eine Verfeinerung des DPA/Sporen-Umrechnungsfaktors sowie Informationen über die Verteilung von DPA im Sediment.Die Hypothese, dass Endosporen nicht nur extreme Bedingungen während der Versenkung überleben, sondern auch tiefe, wachstumsstimulierende Habitate besiedeln können möchten wir a) durch experimentelle Ermittlung des Anteils sedimentärer Endosporen, der auf geologischen Zeitskalen keimfähig bleibt, testen und gleichzeitig die Bedingungen, die eine Auskeimung begünstigen, näher eingrenzen. Ebenso möchten wir b) die ökologische Bedeutung der Auskeimung von Endosporen in wachstumsstimulierenden Sedimentschichten aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Infrastruktur-Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 527: Bereich Infrastruktur - "International Ocean Discovery Program" (IODP)