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Mikroben lenken die Mineralbildung am Meeresboden
Heiße Quellen am Meeresboden gelten als Orte intensiver geochemischer Reaktionen, doch vor Milos zeigen nun Sedimentproben, dass Bakterien mitentscheiden, ob sich im hydrothermal beeinflussten Untergrund Pyrit oder elementarer Schwefel bildet. Ausschlaggebend ist, wie schnell heiße Fluide durch das Sediment strömen und welche chemischen Lebensbedingungen sie dadurch schaffen.
Bremen (Deutschland). Hydrothermale Fluide transportieren Wärme und gelöste Stoffe aus dem Untergrund nach oben und verändern beim Kontakt mit Meerwasser Temperatur, Säuregrad und Redoxbedingungen, wodurch unterschiedliche Lebensräume für Mikroorganismen entstehen. Vor der griechischen Insel Milos liegen mehrere 2023 entdeckte Hydrothermalfelder, deren Struktur bereits Ende 2025 genauer beschrieben wurde.
Forscher der Universität Bremen um Dr. Joely Maak haben nun drei Sedimentkerne aus 103 bis 163 Meter Wassertiefe verglichen, die unterschiedlich stark von hydrothermalen Fluiden beeinflusst waren. Ein Kern stammte aus einem kaum hydrothermal beeinflussten Bereich, ein zweiter aus einer Zone mit langsam diffundierenden Fluiden und der dritte aus der Nähe eines aktiv heißen Vents. Den heißesten Kern entnahm der ferngesteuerte Tauchroboter MARUM-SQUID direkt am gewünschten Probenort.
Für die Analyse kombinierten die Wissenschaftler Porenwasserchemie, Mineralanalysen, Schwefelisotope und die Kohlenstoffisotope bakterieller Fettsäuren, die Hinweise auf Stoffwechselwege liefern können, weil unterschiedliche Wege Kohlenstoffisotope unterschiedlich stark sortieren. Am heißen Vent wurden 45 Grad Celsius fünf Zentimeter unter dem Meeresboden und 160 Grad in 30 Zentimetern Tiefe gemessen.
„Diese beiden Fluidtypen schaffen vollkommen unterschiedliche Lebensräume für Mikroorganismen“, erklärt Dr. Joely Maak.
Im diffus durchströmten Gradientenkern sank das Redoxpotential mit der Tiefe stark, während sulfatreiches Meerwasser mehrere Zentimeter in das Sediment eindringen konnte. Die Isotopensignaturen der Fettsäuren passen vor allem zu sulfatreduzierenden Bakterien, die anorganischen Kohlenstoff über den Acetyl-CoA-Weg binden. Ihre Aktivität trägt dazu bei, Sulfid bereitzustellen, das mit Eisen zu Pyrit und verwandten Eisensulfiden reagieren kann.
Mineralogisch unterschied sich dieser Kern deutlich, denn Sulfidminerale machten bis zu 28 Prozent der kristallinen Sedimentbestandteile aus und in allen untersuchten Tiefen fanden sich kubische Pyritkristalle. Deren Schwefelisotopenwerte lagen zwischen −12,1 und −10,1 Promille, was nach der Studie nicht allein durch hydrothermale Fraktionierung erklärt werden kann und auf einen Beitrag mikrobieller Sulfatreduktion hinweist.
Beim heißen Vent herrschten dagegen durchgehend saure und stark reduzierende Bedingungen. Der schnelle aufwärts gerichtete Fluidstrom begrenzt das Eindringen von Meerwasser und damit von Sauerstoff auf wenige Millimeter. In den obersten Zentimetern fanden die Forscher Fettsäuresignaturen, die zu sulfideoxidierenden, chemoautotrophen Bakterien passen, doch die Zuordnung zu einzelnen Mikroben bleibt indirekt.
Im heißen Kern waren Sulfidminerale selten, dafür lagerte sich an der Oberfläche elementarer Schwefel ab. Er machte dort rund sechs Gewichtsprozent aus und wies Schwefelisotopenwerte von +3,4 bis +4,1 Promille auf. Die Autoren führen diese Ablagerung vor allem auf die Reaktion der aufsteigenden Fluide mit Meerwasser zurück. Mikrobielle Sulfidoxidation könnte zusätzlich beteiligt sein, ist anhand der verwendeten Fettsäuren aber nicht direkt einer bestimmten Bakteriengruppe zuzuordnen.
Der stärkste statistische Zusammenhang mit der Zusammensetzung der bakteriellen Fettsäuren bestand mit dem Redoxpotential. Im heißen Kern nahm zugleich die durchschnittliche Länge der Fettsäuren mit steigender Temperatur bis etwa 61 Grad Celsius zu, was die Forscher als Anpassung an thermischen Stress deuten. Insgesamt konzentrierten sich die aktivsten mikrobiellen Signale auf die oberen Sedimentzentimeter.