Überraschende Rolle im Stickstoffkreislauf: Symbiosen in Schweizer Seen

Bemerkenswerte Partner fürs Leben: Ciliaten und Bakterien

Ciliaten sind einzellige Eukaryoten, die in Gewässern auf der ganzen Welt leben. Sie ernähren sich von Bakterien und anderen Mikroorganismen. Manchmal gehen sie symbiotische Beziehungen ein, durch die sie auch an Orten überleben können, an denen sie alleine verloren wären.

Die nun veröffentlichte Studie eines Forschungsteams um Linus Zeller und Sina Schorn vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie beschäftigt sich mit Ciliaten der Klasse Plagiopylea. Diese beherbegen in ihrem Inneren Bakterien, die Nitrat in Stickstoffgas umwandeln können und ihren Wirt dadurch mit Energie versorgen. Diese Verbindung ist so eng, dass man die Symbionten mit Mitochondrien vergleichen kann – den sogenannten Kraftwerken in den Zellen von Pflanzen und Tieren, auch uns Menschen. 

Um die Symbiose zu untersuchen, arbeiteten die Forschenden des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen mit Schweizer Kollegen der Eidgenössischen Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (Eawag) und der Universität Basel zusammen. Im Zuger See und im Luganer See suchten sie nach den Ciliaten, untersuchten deren Verteilung im Wasser und verglichen, wie die Verteilung mit verschiedenen Umweltparametern zusammenhängt. So wollten sie herausfinden, wie die Symbionten das Leben ihrer Wirte beeinflussen. 

Die Symbiose bestimmt die Nische

“Wir haben festgestellt, dass die Ciliaten nur in einer schmalen Wasserschicht leben, in der es weder Sauerstoff noch Sulfid, aber ein bisschen Nitrat gibt”, so Linus Zeller. “Dass diese Organismen keinen Sauerstoff vertragen, war zu erwarten, denn sie sind streng anaerob. Wir waren aber überrascht, dass sie auch kein Sulfid vertragen, denn viele andere anaerobe Ciliaten leben sehr wohl in sulfidischen Lebensräumen.”

Zudem war es sehr wichtig, dass Nitrat vorhanden ist. Die bakteriellen Symbionten nutzen Nitrat für die sogenannte Denitrifzierung, durch die sie Energie erzeugen können. Die Ergebnisse legen also nah, dass die ökologische Nische der Ciliaten durch die Bedürfnisse der Symbionten bestimmt wird: Der Ciliat kann nur da leben, wo es dem bakteriellen Partner gut geht. 

Ein unbeachteter Akteur bei der Stickstoffentfernung

Die Denitrifizierung ist ein wichtiger Teil des Stickstoffkreislaufs. Dabei wandeln Mikroorganismen Nitrat um, zunächst in andere Stickstoffverbindungen und letzendlich in gasförmigen Stickstoff, der in die Luft entweicht. 

Das ist ökologisch wichtig, da die Menschen durch Landwirtschaft und Kläranlagen große Mengen an Nitrat in Flüsse, Seen und Küstengewässer leiten. Das Nitrat kann gefährliche Algenblüten begünstigen, die Wasserqualität verschlechtern und zur Freisetzung von Treibhausgasen beitragen. Denitrifizierung ist ein natürlicher Weg, Nitrat aus dem Ökosystem zu entfernen. So kann sie verhindern, dass sich zu viel Stickstoff in Gewässern ansammelt.

Die Forschenden aus Bremen schätzen, dass die Symbiose aus Ciliaten und Bakterien einen großen Beitrag zur Stickstoffentfernung in Seen wie dem Zuger und dem Luganer See leisten kann, auch wenn dieser Beitrag von Jahr zu Jahr variieren mag. Bislang wurde dieser Prozess weitgehend frei lebenden Bakterien zugeschrieben. “Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Bedeutung von eukaryotischen Mikroorganismen wie den Ciliaten und ihren bakteriellen Untermietern für den Stickstoffkreislauf möglicherweise unterschätzt wird”, so Sina Schorn, die mittlerweile an der Universität Göteborg tätig ist.

Als nächstes wollen die Forschenden andere Ciliaten und Protisten in Seen und auch im Meer unter die Lupe nehmen. So wollen sie herausfinden, ob Eukaryoten mit symbiotischen Bakterien wichtiger für den globalen Stickstoffkreislauf sind als bisher vermutet.