Kohlenstoff-KreislaufKleines Besteck für den Abbau von Algenblüte

Vermehren Algen sich plötzlich massenhaft, binden sie in dieser Algenblüte zunächst Kohlenstoff. Nach dem Absterben zersetzen Bakterien die aufgebauten Polysaccharide und setzen entweder Kohlendioxid wieder frei oder unverdaute Reste sinken zum Meeresboden. Für den bakteriellen Abbau genügt ein recht überschaubares Set an Enzymen und nur die gängigsten Zucker werden abgebaut. Je nach Stadium der Massenvermehrung werden verschiedene Zucker vorzugsweise abgebaut.

Die Hochseeinsel Helgoland und ein Strandabschnitt, an dem die Proben genommen wurden.

Vor Helgoland wurden an der „Kabeltonne“ Wasserproben genommen, die anhand ihrer Chlorophyll-Konzentration in beginnende und ausgeprägte Algenblüte sowie die Abbauphase eingeteilt wurden. Das Erbgut der Bakterien in der Wasserprobe wurde anschließend untersucht. Foto: © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/Naomi Esken

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Im Sommer sind die Algenblüten von sogenannten Blaualgen in Badeseen und auch in der Ostsee gefürchtet. Dabei vermehren sich plötzlich und massenhaft Cyanobakterien, die giftige Verbindungen absondern können. Ebenso so unerwünscht sind Algenteppiche wie der im letzten Jahr beobachtete: schwimmende Tange der Art Sargassum, eine Braunalge, bildeten einen Teppich von Westafrika bis zum Golf von Mexiko. Andere marine Bewohner – Algen im Phytoplankton, die Licht für die Photosynthese brauchen, oder auch Korallen – werden stark beeinträchtigt. Beim Abbau des Tangs stinkt es und längst wird nach Ideen gesucht, wie er abgefischt und weiterverwendet werden kann.

Doch auch die Algen im Phytoplankton können im Frühjahr und Sommer eine Blüte etwa durch überdüngtes Wasser erleben. Rund um Helgoland wurden Wasserproben genommen und nicht die Algen selbst untersucht, sondern die Prozesse nach einer Algenblüte ablaufen. Wenn etwa die Überdüngung abgeschöpft wurde, endet die Algenblüte und Destruenten beginnen ihr Werk: Die Algen werden durch Bakterien aerob abgebaut und verdaut. Dadurch sinkt der Sauerstoff-Gehalt des Wassers, was neben der erhöhten Absorption von Sonnenlicht in den oberflächennahen Wasserschichten, das Überleben anderer Meeresbewohner einschränkt.

Am Ende der Blütezeit

Zunächst bauen Algen Kohlendioxid bei der Photosynthese zu höheren Kohlenwasserstoffen auf. Sie binden also Kohlenstoff, der dadurch wiederum vom Wasser aus der Atmosphäre aufgenommen werden kann. Beim Abbau der Algen durch andere Mikroorganismen wie dem bakteriellen Plankton werden die Kohlenwasserstoffe wieder aufgespalten, also remineralisiert. Ein Teil sinkt auch unverdaut zum Meeresboden – dieser Prozess ist jedoch entscheidender bei großen Fischkadavern, das Phytoplankton wiegt kaum mehr als reines Wasser und wird durch Turbulenzen leicht wieder nach oben befördert. Daher gelangt viel Kohlenstoff in die oberflächennahen Gewässer, die ihn beim Abbau als Kohlendioxid wieder ausgasen.

Aktuelle Studie zum enzymatischen Abbau

Die Mikrobiologin Karen Krüger vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen ist Erstautorin einer Studie, die aufklären will, was im Einzelnen geschieht. In der Nordsee kommt es im Frühjahr immer wieder zu Algenblüten. Zusammen mit einem internationalen Zusammenschluss von Forschungsgruppen analysierte sie das Erbgut eines wichtigen Algen-abbauenden Bakterienstamms (Bacteroidetes-Stamm). Darin suchte sie nach Enzymen, die es ermöglichen Polysaccharide abzubauen. Diese Vielfachzucker sind Gerüstbildner oder auch Speicherstoffe und daher ein gutes Indiz für den Abbau von Algen. Diese sind nicht für alle Lebewesen aufspaltbar, wer sie nutzen will, braucht spezialisierte Enzyme.

Für die Verwertung brauchen die Bakterien Energie, die sie aus dem Abbau der Polysaccharide beziehen. Die dafür benötigten Enzyme sind bestimmte Gencluster, PUL (polysaccharide utilisation loci) genannt, nach denen nun gesucht wurde. Das Ergebnis verrät, welcher Zucker abgebaut und verdaut wird.

In den untersuchten Bakterien waren die wichtigsten Gruppe von Polysacchariden: Glucane sind Speicherstoffe; die Algenzellwand wird durch Mannane und Xylane abgebaut. Alginate sind im zähen Schleim zu finden, mit dem sich Algen als Biofilm anheften können.

Krüger war von einer größeren Auswahl an verwerteten Zuckern ausgegangen. Stattdessen konnte sie nun ein vereinfachtes Modell aufstellen, inklusive einem Zeitablauf. Zu Beginn der Algenblüte werden die leicht verfügbaren Zucker aufgespalten und verdaut. Sterben die Algen ab, werden auch komplexer gebaute Zucker verfügbar, deren Abbau wiederum komplexere Schnittwerkzeuge benötigt. Nun werden auch die Enzyme bereitgestellt, um diese abzubauen. Einen detaillierten Kohlenstoff-Kreislauf gilt es noch auszuarbeiten.

 

Material

Unterrichtsmaterialien zum Thema Polysaccharide finden Sie im Themenheft Chemie in biologischen Kontexten.

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Zum Weiterlesen:

Beitrag u.a. des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen in Nature Communications (Link)

Algenteppich (Braunalge): Bericht des br

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