Kieselalgen: Nitrat statt Sauerstoff

In den Meeren wimmelt es von Algen, die im Sonnenlicht Photosynthese betreiben. Man weiß jedoch schon länger, dass Kieselalgen auch im dunklen Meeresboden überleben können, wo weder Photosynthese noch Atmung mit Sauerstoff möglich sind. Jetzt berichten Wissenschaftler im Fachblatt „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS), wie dieses Kunststück funktioniert: Die Diatomeen atmen in der Dunkelheit mit einem Salz, dem Nitrat, anstelle von Sauerstoff.

Obwohl die Photosynthese betreibenden Algen oft nur wenige Hundertstel Millimeter groß sind, kommen sie in so großer Anzahl in unseren Weltmeeren vor, dass sie für etwa 40 Prozent der marinen Primärproduktion, also dem Aufbau von Biomasse mittels Sonnenlicht und Kohlendioxid, verantwortlich sind. Oft bilden sie riesige schwimmende „Blüten“ an der Meeresoberfläche oder bräunlich-grünliche Rasen auf dem Meeresboden.

Den Stoffwechselwegen von Kieselalgen auf der Spur

Diatomeen oder Kieselalgen können aber auch ohne Licht und Sauerstoff überleben, beispielsweise im Meeresboden. Die Wissenschaftler Anja Kamp, Dirk de Beer, Jana L. Nitsch, Gaute Lavik und Peter Stief vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen haben in ihrer neuen Studie verschiedene Diatomeen-Arten im Labor kultiviert, um zu erforschen, welche Stoffwechselwege den kleinen Algen das Überleben in der Dunkelheit ermöglichen.

Kieselalgen (Diatomeen) gewinnen ihre Energie im Sonnenlicht durch Photosynthese. Dabei wird auch Sauerstoff produziert, der tiefer in den Meeresboden eindringt als das Licht. Den Sauerstoff benötigen die Diatomeen, genau wie Tiere und Menschen, für ihre Zellatmung. Diatomeen können aber auch vergraben im Meeresboden überleben, wo weder Licht noch Sauerstoff zur Verfügung stehen. Hier atmen sie statt mit Sauerstoff mit Nitrat. Für Prokaryoten (also Organismen ohne Zellkern wie z.B. Bakterien) sind verschiedene Stoffwechselwege der Nitratatmung bekannt. Dass Eukaryoten (also Organismen mit Zellkern wie z.B. Diatomeen) sowohl Photosynthese betreiben als auch mit Nitrat atmen können, war hingegen bisher nicht bekannt. Der für Diatomeen nachgewiesene Stoffwechselweg der Nitratatmung heißt Dissimilatorische NitratReduktion zu Ammonium, oder kurz DNRA. Hier wird das Nitrat (NO3-) zunächst zu Nitrit (NO2-) und dann weiter zu Ammonium (NH4+) reduziert. © Anja Kamp / MPI für Marine Mikrobiologie

Die Forscher fanden heraus, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen dem Nitrat, das eine Diatomeen-Zelle speichert und deren Überlebensfähigkeit ohne Licht und Sauerstoff. Je mehr Nitrat die Zelle zur Verfügung hatte, desto länger konnte sie den Wissenschaftlern zufolge im Dunkeln, also auch ohne Möglichkeit selber Sauerstoff durch Photosynthese zu bilden, überleben.

In Experimenten mit der kaffeebohnenförmigen Diatomee Amphora coffeaeformis konnten sie beweisen, dass die einzelligen Algen in der Dunkelheit mit Hilfe des gespeicherten Nitrats atmen. Innerhalb nur eines Tages verbrauchen sie dabei den größten Teil des gespeicherten Nitrats und wandeln es zu Ammonium um, das von der Zelle ausgeschieden wird.

Nitratatmung bei Bakterien nichts Ungewöhnliches

Das wichtigste Ergebnis der Bremer Max-Planck-Forscher ist jedoch, dass die Zellen das Nitrat im Dunkeln nur zur Atmung und nicht, wie im Sonnenlicht, zum Aufbau von Biomasse verwenden. Kamp sagt: „Wir schließen aus dem schnellen Verbrauch von Nitrat und dem Ausbleiben des Zellwachstums, dass die Nitratatmung bei Diatomeen ein Prozess ist, der lediglich ein Ruhestadium einleitet und nicht über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten wird.“

Bei Bakterien ist die Nitratatmung nichts Ungewöhnliches, denn viele der am Max-Planck-Institut untersuchten Mikroben sind in der Lage, mit Nitrat, Sulfat oder Eisen zu atmen. Überraschend ist aber, dass auch Algen, also Organismen mit einem Zellkern, Photosynthese und Nitratatmung betreiben können. (PNAS, 2011; doi:10.1073/pnas.1015744108)

(Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, 16.03.2011 – DLO)