1.1 Bakterien und Archaeen

Die kleinsten Bewohner des Meereises sind die Bakterien und die Archaeen. Beide Gruppen sind eng miteinander verwandt. Doch gibt es Unterschiede in ihrem genetischen Bauplan, weshalb man sie zwei verschiedenen Gruppen zuordnet. Da Bakterien und Archaeen keinen Zellkern besitzen, werden sie auch als Prokaryonten bezeichnet – also „kernlose“ Organismen. Bakterien sind im Meereis weit verbreitet. Man findet sie in allen Eisschichten und zu allen Jahreszeiten. Archaeen findet man seltener. Studien haben gezeigt, dass die Bakteriendichte im Meereis deutlich höher als im darunterliegenden Meerwasser ist. Grund für diese Anreicherung sind physikalische Prozesse, die in der Eisbildungsphase auftreten. Plankton wird in das wachsende Meereis eingebaut. Beobachtungen zeigen, dass Bakterien in jungem, neugebildetem Eis angereichert werden. Diese Anreicherung erreicht gegenüber dem Meerwasser typischerweise Werte zwischen 5 - 10, die Spannbreite liegt aber zwischen 2 und 54 (Deming und Collins, 2017). Ins Meereis werden vor allem größere Partikel eingelagert. Man geht daher davon aus, dass Bakterien durch die Anlagerung an größere Partikel, insbesondere angeheftet an Algenzellen mit einer „klebrigen“ Oberfläche, aus dem Ozeanwasser ins wachsende Meereis gelangen. Weiterhin transportieren organischer Detritus (feines, durch die Zersetzung von Tier- und Pflanzenresten entstandenes Material), Sedimentkörner und sogenannte Aggregate, die in die Eisstruktur eingeschlossen werden, Bakterien in das sich bildende Meereis. Man schätzt, dass rund 50 Prozent aller Bakterien im Eis, angeheftet auf deren Oberflächen, zu finden sind (Deming und Collins, 2017).
Hauptaufgabe der Bakterien ist die Mineralisierung des von anderen Organismen in der mikrobiologischen Gemeinschaft des Meereises produzierten organischen Materials (Staley und Gosink, 1999). Die Meereis-Bakteriengemeinschaft ist weitgehend heterotroph und assimiliert primär gelösten organischen Kohlenstoff (engl. dissolved organic carbon, DOC), um Biomasse und Energie zu produzieren (Staley und Gosink, 1999). Sie sind auch zu einem kleineren Anteil am Abbau von POC (engl. particulate organic carbon) beteiligt. Heterotrophie bedeutet hier, dass der Bedarf an Kohlenstoff, den ein Organismus als Energie benötigt, nicht mithilfe der Photosynthese wie bei Pflanzen gedeckt wird, sondern durch die Aufnahme von Nahrung. Die Bakterienproduktionsraten sind hoch und können 10–15 % der Primärproduktion verstoffwechseln (Staley und Gosink, 1999).
Dabei ist die bakterielle Vielfalt im Meereis erstaunlich. Die Meereis-Bakteriengemeinschaften der Arktis und Antarktis werden von heterotrophen Mitgliedern der Klassen Flavobacteriia und Gammaproteobacteria, mit geringeren Beiträgen von Alphaproteobakterien, Verrucomicrobia und Bacilli geprägt (Boetius et al., 2015). Dass im Meereis auch Archaeen zu finden sind, haben Forscherinnen und Forscher jedoch erst in diesem Jahrhundert herausgefunden, seit es die erforderlichen Technologien gibt, um Archaeen-Gene zu identifizieren. Die Archaeen-Arten im Eis gehören zu den Stämmen Thaumarchaeota und Euryarchaeota. Insgesamt ist ihre Zahl im Meereis deutlich kleiner als die der Bakterien. In Bezug auf ihr Vorkommen ist der Beitrag der Archaeen zur gesamten mikrobiellen Gemeinschaft im Meereis unabhängig von Breitengrad oder Jahreszeit gering (< sieben Prozent). Trotzdem sollte ihre ökologische Bedeutung nicht unterschätzt werden (Deming und Collins, 2017).


Vorkommen und Verbreitung

Je nach der Region, den Lebensbedingungen vor Ort und der Saison schwankt die Dichte von Bakterien im Meereis stark. Meereisbakterien müssen nicht nur mit Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt klarkommen, sondern gleichzeitig auch mit hohen Salzgehalten und dabei die saisonalen und täglichen Schwankungen in diesen Extremen tolerieren. Das Meereis bildet sich im Herbst. Dies ist auch die Zeit, in der die Bakterien in das wachsende Eis eingeschlossen werden. Einige Bakterien können sich nicht ausreichend an das Leben im Eis anpassen, aber es kann sich dennoch eine gesunde Meereis-Bakteriengemeinschaft etablieren. Der Gesamterfolg der Anpassung spiegelt sich in der Produktion der Meereis-Bakterien wider, die die Eisalgen-Produktion in dieser Jahreszeit übersteigt. Wenn im Winter die Temperaturen weiter fallen, wird der flüssige Anteil des Eises immer geringer. Ein gewisser Teil des Meersalzes bleibt eingeschlossen im Eis zurück. Es findet sich dort als hochkonzentrierte Salzlauge, als Sole. In dieser Sole reichern sich die Bakterien an. Gleichzeitig erreicht die Aktivität der Bakterien in dieser Jahreszeit ihr Minimum. Auch schrumpft die Population der Bakterien (Deming und Collins, 2017). Im Frühling steigt die bakterielle Produktion an der Unterseite der Ozean-Eis-Grenzschicht wieder an. Das wurde sowohl in der Arktis wie auch in der Antarktis beobachtet. Dann nämlich fahren die Eisalgen ihren Stoffwechsel hoch, von deren Stoffwechselprodukten – insbesondere dem neugebildeten gelösten organischen Material – die Bakterien leben. Aber auch in den weiter oben gelegenen Schichten des Eises, wo die Algen nicht wachsen oder nicht vorhanden sind, steigt die Anzahl der Bakterien an. Dort ernähren sich die Bakterien von bereits vorhandenem gelöstem organischem Material (Deming und Collins, 2017). Mit der Zunahme der Bakterien steigt auch die Zahl jener Organismen, die sich von ihnen ernähren – etwa der Protisten, die die Zahl der Bakterien limitieren. Im Sommer ist die Bakteriendichte im Eis gewöhnlich am höchsten, da sie mit der sommerlichen Eisalgenblüte im arktischen und antarktischen Meereis einhergeht.


Rolle der Bakterien im Meereis

Bakterien spielen aufgrund ihrer heterotrophen Ernährung eine wichtige Rolle im Meereis. Sie sind hauptverantwortlich für das Recycling von Nährstoffen im Meereis. Bakterien…

  • sind ein zentrales Element des Nahrungsnetzes, weil sie durch ihren Stoffwechsel Nährstoffe für andere Organismen bereitstellen. Generell sind die Konzentrationen von Nährstoffen im Meereis geringer als im Meerwasser. Bakterien sind beispielsweise eine biologische Quelle für anorganische Nährstoffe wie etwa Phosphat (PO43-), welcher ein Pflanzennährstoff ist. Neben Phosphat setzen sie aber noch andere wichtige Mikro- und Makronährstoffe frei. Für die Arktis ist Nitrat (NO3-) der am stärksten limitierende Nährstoff, während in der Antarktis Eisen und Silikat eine größere Rolle spielen. Die Umwandlung von organischem Material in anorganische Stoffe wird als Remineralisierung bezeichnet (Meiners und Michel, 2017).
  • sind Nahrung für heterotrophe und mixotrophe Protisten. Die bakterielle Biomasse stellt damit eine Verbindung zwischen der mikrobiellen Stufe im Nahrungsnetz und jenen Stufen her, zu denen einzellige und höhere bzw. mehrzellige Lebewesen, die Metazoen, gehören (Meiners und Michel, 2017).
  • sind Produzenten von gelatineartigen Biopolymeren (Extrazelluläre Polymere Substanzen, EPS), welche wichtig für deren Überleben im Eis sind. EPS wirken als Gefrierschutz und verändern die Mikrostruktur des Eises, in dem sie z. B. die Bildung von großen Eiskristallen verhindern, die die Bakterien zerstören würden. So tragen sie dazu bei, dass der Lebensraum in den Poren des Meereises vergrößert wird und die Sole flüssig bleibt. Die bakterielle Produktion von EPS kann durch einen Abfall der Temperatur oder der Salinität angestoßen werden

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Boetius, A., A.M. Anesio, J. W. Deming, J.A. Mikucki, & J.Z. Rapp (2015): Microbial ecology of the cryosphere: sea ice and glacial habitats. Nat Rev Microbiol., 13(11), 677-90. doi: 10.1038/nrmicro3522. Epub 2015 Sep 7. PMID: 26344407.
Deming J. W. & R. E. Collins (2017): Sea ice as a habitat for Bacteria, Archaea and viruses, In: D. N. Thomas (ed.), Sea Ice 3rd edition, Chapter 13, 326-351.
Meiners, K.M. & C. Michel (2017): Dynamics of nutrients, dissolved organic matter and exopolymers in sea ice, In: D. N. Thomas (ed.) Sea Ice, 3rd edition, Wiley-Blackwell, Chichester (UK) Hoboken (NJ), 415-432.
Staley J. T. & J. J. Gosink (1999): Poles Apart: Biodiversity and Biogeography of Sea Ice Bacteria, Annual Review of Microbiology, 53:1, 189-215, https://doi.org/10.1146/annurev.micro.53.1.189.