Bakterien und Algen wirken als Biokatalysatoren für die Rohstoffablagerung in der Tiefsee

Der Meeresboden ist mit Rohstoffen übersät, die in Zukunft von großer Bedeutung sein könnten: Mangan und Eisen, aber auch seltenere und kostbarere Elemente wie Kobalt, Kupfer, Zink und Nickel sind in großen Mengen in der Tiefsee vorhanden Knötchen und Krusten. Die Ablagerung solcher Materialien aus Meerwasser und Sedimenten ist das Ergebnis eines Prozesses, der als Biomineralisation bekannt ist. Mikroorganismen wie Bakterien und Algen tragen zu diesem Prozess der Knötchen- und Krustenbildung bei und katalysieren die Anreicherung von Metallen, wie neue Forschungen am Institut für Physiologische Chemie und Pathobiochemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz zeigen. Die neuen Erkenntnisse könnten nach Ansicht der Wissenschaftler zu einer umweltfreundlichen und nachhaltigen Nutzung wertvoller Meeresressourcen beitragen. Der Wettbewerb um die Ressourcen auf dem Meeresboden hat bereits begonnen; Die Industrieländer haben ihre Claims bereits abgesteckt und Regionen mit großen Rohstoffvorkommen abgegrenzt. „Hier liegt eine potenzielle Quelle internationaler Konflikte“, glaubt Professor Werner Müller von der Universität Mainz. Wenn wir genau verstehen, wie die Knötchen und Krusten in der Tiefsee entstehen, könnten wir vielleicht in nicht allzu ferner Zukunft in der Lage sein, Mikroorganismenstämme zu entwickeln, die ganz gezielt wichtige Rohstoffe für uns „anbauen“ könnten. Müller erforscht seit über 30 Jahren die Unterwasserwelt und gilt als Pionier der Schwammforschung in Deutschland. Doch das Interesse des studierten Molekularbiologen beschränkt sich nicht nur auf Schwämme, in denen er eine nahezu unerschöpfliche Rohstoffquelle sieht, angefangen bei bioaktiven Substanzen für medizinische Zwecke bis hin zu Silikaten für Sehbahnen. Auch Bakterien und Algen sind in seinen Augen echte kleine Zauberer. Manganknollen bilden sich am Meeresboden in Tiefen von 4.000 bis 5.000 Metern. In den letzten etwa 10 Millionen Jahren haben sich schätzungsweise 300 Milliarden Tonnen Mangan in Form von Knollen angesammelt. „Das ist schon erstaunlich, wenn man bedenkt, dass die Mangankonzentration im Meerwasser verschwindend gering ist“, sagt Müller. Die Knollen (die Kartoffelknollen ähneln) enthalten neben Mangan auch Eisen und Nichteisen-Schwermetalle, die sich schichtweise ansammeln. Sobald sich ein winziger Biosamen gebildet hat, lagern sich Metallionen kontinuierlich an die äußere Schicht an. In Zusammenarbeit mit chinesischen Wissenschaftlern, allen voran Professor Dr. XH Wang, hat Müller nun herausgefunden, was diesen Prozess auslöst. Ihren Erkenntnissen zufolge handelt es sich bei den Biosamen um Bakterien, die auf ihrer Außenmembran eine zusätzliche Proteinschicht, die sogenannte S-Schicht, aufweisen. „Die äußerste Schicht der S-Schicht ist eine ideale organische Matrix, die Mikroorganismen nicht nur vor schädlichen Umwelteinflüssen schützt, sondern auch die Ablagerung von Mineralien erleichtert.“ Müller und seine Forschungspartner haben vollständige Bakterienketten mit S-Schichten darin gefunden Manganknollen, die die Grundlage für die Synthese der Biomaterialien bildeten. „Sobald die Primärschicht vorhanden ist, übernimmt die Autokatalyse und das Material vervollständigt den Prozess selbst.“ Bei Tiefseekrusten liefert eine einzellige Alge und nicht ein Bakterium den Biosamen. Die Tiefseekrusten – auch Mangan- oder Kobaltkrusten genannt – kommen in Tiefen von 800 bis 2.400 Metern vor und enthalten ebenfalls erhebliche Mengen wertvoller Rohstoffe. Sie werden von Coccolithophoriden erzeugt, einer Form von Panzeralgen, die vollständig von einer schützenden Hülle aus Kalziumkarbonat umgeben sind. Diese Algen leben in einer Tiefe von etwa 100 Metern. Wenn sie sterben, sinken ihre Schutzhüllen in tiefere Schichten, wo durch chemische Umwandlung Bindungen mit Manganionen geknüpft werden. „Vielleicht können wir uns die Natur zum Vorbild nehmen, um in Zukunft auch Algen und Bakterien zu nutzen, um Mangan und andere Metalle aus einer Meerwasserumgebung zu gewinnen“, erklärt Müller. Dies könnte dazu beitragen, potenzielle zukünftige Konflikte um Ressourcen zu entschärfen und zu einer nachhaltigen Produktion beizutragen, ohne die Tiefseeumwelt zu schädigen.