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News: Düngung mit Licht

Eisen gehört zu den häufigsten Elementen der Erde, doch im Meer ist es Mangelware. Viele marine Mikroorganismen haben daher spezielle Eisenfänger entwickelt - Siderophore genannt -, mit denen sie das kostbare Element aufnehmen können. Doch nicht nur Bakterien profitieren von den Siderophoren. Denn sobald Licht auf die Eisenfänger fällt, lassen sie ihre Fracht als zweiwertiges Ion frei. In dieser Form ist es auch für phytoplanktische Algen verfügbar, die daraufhin blühen und gedeihen.
Im Jahr 1855 formulierte Justus von Liebig das Gesetz vom Minimum und legte damit den Grundstein für die moderne Landwirtschaft. Der Chemiker erkannte, dass der am geringsten verfügbare Pflanzennährstoff das Wachstum der Pflanze bestimmt. Was Ackerpflanzen recht ist, ist Meeresorganismen billig. Auch hier bestimmt ein Mangelfaktor das Gedeihen von Phytoplankton oder Bakterien. Nur fehlt es hier nicht an Stickstoff oder Phosphor, sondern vor allem an Eisen. Manche Meeresbiologen kamen daher auf die Idee, das Meer mit Eisen zu düngen und somit eine Phytoplanktonblüte auslösen. Das Plankton sollte durch die Photosynthese Kohlendioxid aufnehmen, dann absterben und den Kohlenstoff in die Tiefe des Meeres mitnehmen. Das Treibhausgas Kohlendioxid wäre damit für längere Zeit aus der Atmosphäre entzogen.

Inzwischen liefen bereits einige solcher Versuche im Meer – jedoch mit nur mäßigen Erfolg. Die Eisendüngung löste zwar tatsächlich eine Phytoplanktonblüte aus, die allerdings nur kurzfristig auftrat und schnell wieder zusammenbrach. Offensichtlich ist die Steuerung des Eisenhaushaltes im Meer doch etwas komplexer.

Mikrobiologen wissen bereits, dass manche Bakterien sich bei Eisenmangel zu helfen wissen. Sie geben spezielle Bindungsmoleküle – so genannte Siderophore – an die Außenwelt ab. Diese bilden mit dreiwertigen Eisen-Ionen Komplexe, welche die Bakterien wieder aufnehmen. Innerhalb der Zelle werden die Siderophoren wieder abgebaut und das Eisen-Ion freigelassen.

Katherine Barbeau sowie ihre Kollegen von der University of California haben sich jetzt diese Eisenfänger genauer angeschaut. Sie analysierten die Siderophore, die das im Atlantik lebende Bakterium Halomonas aquamarina produziert.

Die Siderophore bestehen aus einer Fettsäurekette mit einem Kopf aus Peptiden; und dieser Peptidkopf bildet den Komplex mit dem dreiwertigen Eisen-Ion. Soweit, so gut. Doch sobald die Wissenschaftler ihre Siderophore Licht aussetzten, geschah Erstaunliches: Das dreiwertige Eisen wurde zu zweiwertigem reduziert, das Trägermolekül spaltete seinen Fettsäureschwanz ab und gab das Eisen-Ion frei. Zweiwertiges Eisen ist jedoch besser löslich als dreiwertiges und steht damit anderen Organismen zur Verfügung. Von der photochemischen Umwandlung der bakteriellen Siderophore im Meerwasser kann demnach das Phytoplankton unmittelbar profitieren.

Und genau davon gehen die Meeresforscher aus. Denn hier verbirgt sich vermutlich ein für den Stoffhaushalt des Meeres entscheidender Prozess: Durch aufsteigendes Wasser gelangen bakterielle eisenhaltige Siderophore an die lichtdurchflutete Oberfläche, geben dort ihre Fracht ab und düngen somit das Meer.

Die Wissenschaftler denken jedoch noch weiter. Denn ähnlich wie die Eisenfänger ließen sich auch künstliche Trägermoleküle kreieren. "Man könnte diese kleinen Molekülkugeln durch Licht öffnen", spekuliert Arbeitsgruppenleiter Alison Butler. "Daher könnte man sie als Medikamententransportsystem im Körper nutzen. Und vielleicht ließen sich hieraus auch Reaktionsgefäße zur Produktion von Nanopartikeln herstellen."

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