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May 03, 2023

Meeresviren: Untergetauchte Akteure des Klimawandels

9. Juni 2023 Dieser Artikel

9. Juni 2023

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von der American Society for Microbiology

Während sich die Welt stark auf die üblichen Akteure des globalen Klimawandels wie fossile Brennstoffe und Abholzung konzentriert, ist aus den Tiefen des Ozeans eine Gruppe unwahrscheinlicher Konkurrenten aufgetaucht: Meeresviren. Diese winzigen, aber mächtigen Wesen stehlen nun das Rampenlicht, während Wissenschaftler ihren tiefgreifenden Einfluss auf das Klima unseres Planeten entschlüsseln.

Mit einem Heer von geschätzten 1030 Viruspartikeln beherrschen Meeresviren die Weiten des Ozeans mit ihrer erstaunlichen Vielfalt. Alle Wasserorganismen werden durch ihre Anwesenheit auf die eine oder andere Weise beeinflusst – seien es Bakterien, Algen, Protisten oder Fische. Es ist noch unklar, ob die Nettoauswirkungen von Meeresviren auf den Klimawandel positiv oder negativ sind. Die zunehmenden Beweise sind jedoch schwer zu ignorieren – Meeresviren verfügen über eine transformative Kraft, die das Gefüge des Meeresökosystems selbst umgestalten kann – und ihr Einfluss auf biogeochemische Kreisläufe ist alles andere als subtil.

Bakteriophagen (oder einfach Phagen) – Viren, die Bakterien infizieren – sind die dominierenden Viren im Ozean. Bei einer Infektion bewirken Phagen, dass ihre unglücklichen Bakterienwirte durch einen Prozess, der als virale Lyse bekannt ist, aufplatzen und dabei Nährstoffe und organische Stoffe in das umgebende Meerwasser freisetzen. Dieses als virales Shunting bekannte Phänomen leitet mikrobielle Biomasse von sekundären Verbrauchern im Nahrungsnetz, wie Plankton und Fisch, in den Pool gelöster organischer Stoffe um, die hauptsächlich von heterotrophen Bakterien verzehrt werden.

Wenn Bakterien absterben und zersetzt werden, kann ihre organische Substanz entweder zum Pool der partikulären organischen Substanz (POM) oder der gelösten organischen Substanz (DOM) beitragen. POM besteht aus komplexen Strukturen und wird von Meeresmikroben nicht leicht abgebaut. Daher wird es häufig in tiefere Teile des Ozeans transportiert. Allerdings ist DOM für Mikroben leichter verdaulich und wird somit in deren Biomasse eingebaut. Wenn sich die mikrobielle Biomasse im Ozean ausdehnt, wird sie zu einer Nahrungsquelle für Organismen auf höheren trophischen Ebenen, einschließlich Plankton, die wiederum als Beute für Fische dienen.

Aber auch Phagen können diese Mikroben erbeuten. Es wird geschätzt, dass Phagen täglich etwa 10 bis 20 % der heterotrophen Bakterien und 5 bis 10 % der autotrophen Bakterien im Ozean abtöten, was zu einer erheblichen Freisetzung von Kohlenstoff, Nährstoffen und anderen Spurenelementen in das mikrobielle Nahrungsnetz führt. Die gelöste organische Substanz wiederum löst ein Bakterienfest aus, da die Mikroben eifrig die neu verfügbaren Nährstoffe und den Kohlenstoff verbrauchen und so ihren Fluss durch höhere trophische Ebenen einschränken. Daher fördert die Viruslyse die Bakterienatmung, die Kohlenstoff in den Ozeanen zurückhält, anstatt ihn in die Atmosphäre abzugeben. Auf diese Weise tragen Phagen indirekt dazu bei, etwa 3 Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr zu binden.

Die Viruslyse spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Freisetzung anderer lebenswichtiger Nährstoffe in das mikrobielle Nahrungsnetz des Ozeans, wie etwa Stickstoff und Phosphor, die in Bakterienzellen in Form von Nukleinsäuren und Aminosäuren eingekapselt sind. Diese nährstoffreichen Verbindungen fördern Wachstum und Stoffwechselaktivitäten und dienen sowohl heterotrophen als auch autotrophen Mikroben als wertvolle Ressource.

Phagen können auch den Kohlenstoffkreislauf verändern, indem sie den Stoffwechsel in Cyanobakterien umgestalten, einem der Hauptakteure bei der globalen CO2-Fixierung. Forscher fanden beispielsweise heraus, dass Cyanophagen, die Synechococcus sp. verändern die Photosynthese des Wirts, indem sie die Energieproduktion maximieren, aber die CO2-Fixierung hemmen. Die umfassenderen Auswirkungen dieses Phänomens auf Ökosystemebene bleiben jedoch rätselhaft und stellen einen entscheidenden Bereich dar, der für zukünftige Forschung reif ist.

Meeresalgen spielen durch ihre Fähigkeit zur Photosynthese eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre. Doch in der Tiefe lauert Ärger, wenn eine Fülle von Meeresalgen auftaucht. Da sind die gefürchteten Algenblüten, diese unkontrollierbaren Algenwachstumsschübe in aquatischen Ökosystemen. Diese Blüten lösen eine Kaskade schädlicher Auswirkungen auf Meeresökosysteme aus, die von Sauerstoffmangel und Störungen des Nahrungsnetzes bis hin zur Produktion schädlicher Giftstoffe reichen.

Wieder einmal stehen Viren im Mittelpunkt. Lytische Viren, die Meeresalgen infizieren können, spielen eine entscheidende Rolle beim Absterben von Algenblüten und lösen einen Anstieg gelöster organischer Stoffe aus, der wiederum das Wachstum umgebender heterotropher Bakterien ankurbelt und den Energiefluss zu höheren trophischen Ebenen einschränkt.

Daher erforschen Wissenschaftler die Idee, Viren zur natürlichen Bekämpfung und Beseitigung von Algenblüten einzusetzen. Dieses spannende Forschungsgebiet steckt noch in den Kinderschuhen und Wissenschaftler führen derzeit kleine Pilotstudien durch, um weitere Informationen zu sammeln und das Potenzial des Ansatzes zu erkunden. Ein solches Beispiel ist die Untersuchung des Heterosigma-akashiwo-Virus (HaV), das sich als vielversprechend erwiesen hat, das Wiederauftreten giftiger Rotfluten zu verhindern, die durch die schädliche Algenart Heterosigma akashiwo verursacht werden, und letztendlich die Fischerei zu schützen. Eine andere Studie legt nahe, dass ein aus einem natürlichen See isolierter Virencocktail die Häufigkeit des giftigen Cyanobakteriums Microcystis aeruginosa in Laborkulturen innerhalb von sechs Tagen um 95 % verringerte.

Mehrere Herausforderungen schränken jedoch den großflächigen Einsatz von Viren (und Cyanophagen) zur Bekämpfung von Algenblüten ein. Die Dynamik von Algenblüten in natürlichen Ökosystemen ist komplex und die Umsetzung viraler Eingriffe in größerem Maßstab stellt sowohl logistische als auch ökologische Herausforderungen dar. Ein weiteres wichtiges Problem ist die mögliche Entwicklung einer mikrobiellen Resistenz gegen Viren, ähnlich wie Mikroben eine Resistenz gegen Antibiotika entwickeln. Einige mögliche Problemumgehungen zur Überwindung von Resistenzen sind die Verwendung eines Viruscocktails anstelle eines einzelnen lytischen Virus und die Entwicklung von Viren, die spezifisch für die betreffenden Algen sind. Trotz dieser Einschränkungen ist der Einsatz von Viren zur Bekämpfung von Algenblüten vielversprechend und weiterhin ein aktives Forschungsgebiet.

Die Rolle von Meeresviren und Phagen beim globalen Klimawandel ist noch unklar, und es gibt noch viel mehr zu entdecken. Während Wissenschaftler immer tiefer in dieses faszinierende Gebiet eintauchen, gibt es mehrere zukünftige Schritte, die äußerst vielversprechend sind.

In erster Linie ist weitere Forschung erforderlich, um das volle Ausmaß der Virusvielfalt in den Ozeanen sowie die Wechselwirkungen zwischen Viren und verschiedenen mikrobiellen Gemeinschaften unter verschiedenen Umweltbedingungen aufzudecken. Kürzlich haben Wissenschaftler eine bemerkenswerte Entdeckung hinsichtlich der Existenz von „Riesenviren“ gemacht, die außerordentlich große Genome besitzen (Größe zwischen 300 und 1000 Kilobasenpaaren (kbp)) und Meereswirte infizieren. Was diese Viren noch faszinierender macht, ist die Entdeckung, dass sie weit verbreitet sind und die Fähigkeit besitzen, ein breites Spektrum eukaryotischer Wirte zu infizieren. Allerdings ist das Ausmaß, in dem Riesenviren Meeresökosysteme und biogeochemische Prozesse beeinflussen, noch weitgehend unerforscht und bedarf weiterer Untersuchungen.

Darüber hinaus kann das Verständnis der Mechanismen hinter dem virusvermittelten Nährstoffrecycling und der Kohlenstoffbindung den Weg für innovative Ansätze zur Eindämmung von Algenblüten und zur Verbesserung der Kohlenstoffbindungseffizienz in den Ozeanen ebnen. Darüber hinaus wird die Integration der Virusdynamik in ozeanografische Modelle dazu beitragen, Vorhersagen über die Reaktionen von Ökosystemen auf den Klimawandel zu verfeinern.

Angesichts der zunehmenden Anerkennung von Viren als einflussreiche Erreger in den Ozeanen wird die weitere Erforschung der Rollen und Wechselwirkungen mariner Mikroorganismen zweifellos dazu beitragen, dass wir Umweltprobleme abmildern und die Gesundheit und Widerstandsfähigkeit der Meeresökosysteme angesichts einer sich verändernden Welt fördern können.

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Berichte

Zur Verfügung gestellt von der American Society for Microbiology