Eine neue Studie der Rosenstiel School of Marine, Atmospheric, and Earth Sciences der University of Miami zeigt, dass Mikroorganismen, die in den Eingeweiden von Fischen leben, eine unerwartet wichtige Rolle bei der Neugestaltung der Ozeanchemie und des globalen Kohlenstoffkreislaufs spielen könnten. Das Forschungsteam fand heraus, dass diese Bakterien möglicherweise mit dem Wirtsfisch zusammenarbeiten, um Kalziumkarbonatmineralien zu produzieren, und somit einen wichtigen Kohlenstoffsenkenpfad im Ozean darstellen, was das traditionelle Verständnis in Frage stellt, dass „dieser Prozess nur durch die eigene Physiologie des Fisches gesteuert wird“.
Die von Anthony Bonacolta, einem ehemaligen Doktoranden der Schule, geleitete Studie konzentrierte sich darauf, wie Bakterien im Fischdarm und im Wirt zusammenarbeiten, um Kalziumkarbonat, ein wichtiges Mineral, zu produzieren. Calciumcarbonat ist nicht nur maßgeblich an chemischen Prozessen wie dem Säure-Basen-Haushalt der Ozeane beteiligt, sondern gilt auch als wichtige Form der Kohlenstoffspeicherung in der Meeresumwelt und hat langfristige Auswirkungen auf das globale Klima.
Normalerweise trinken Knochenfische (d. h. Rochenfische) weiterhin Meerwasser, um das osmotische Druckgleichgewicht der Körperflüssigkeiten aufrechtzuerhalten. Während dieses Prozesses entfernt ihr Darm aktiv überschüssiges Kalzium und Karbonationen und scheidet sie in Form fester Kalziumkarbonatpartikel, sogenannter Ichthyokarbonate, aus. Lange Zeit glaubte die wissenschaftliche Gemeinschaft allgemein, dass aus Fischen gewonnene Karbonate vollständig durch die physiologischen Regulierungsaktivitäten der Fische selbst gesteuert werden. Diese Studie legt nahe, dass die neu entdeckte Beteiligung von Darmmikroorganismen ein wichtiges „verstecktes Glied“ in diesem Prozess darstellen könnte.
Martin Grosell, einer der leitenden Autoren des Papiers, Maytag-Professor für Ichthyologie und Vorsitzender der Abteilung für Meeresbiologie und Ökologie an der Schule, wies darauf hin, dass diese Arbeit die Notwendigkeit hervorruft, die Rolle der Fischdarm-Mikrobiota in der Fischbiologie und sogar im globalen Nährstoffkreislauf im Ozean erneut zu untersuchen. Er sagte, dass der Prozess der Mineralienbildung, der früher als „rein durch den Fisch selbst abgeschlossen“ galt, heute eher das Ergebnis einer engen Symbiose zwischen einem Fisch und seinen Darmmikroorganismen sei.
Um die möglichen Funktionen von Mikroorganismen zu erforschen, nutzte das Forschungsteam den Golfkrötenfisch (wissenschaftlicher Name Opsanus beta) als Versuchsobjekt, um die Produktion von aus Fischen gewonnenen Karbonaten unter verschiedenen Salzgehaltsbedingungen systematisch zu untersuchen. Das Experiment setzte Fische drei Umgebungen aus: Brackwasser mit niedrigem Salzgehalt (9‰), normales Meerwasser (35‰) und hypersalines Wasser mit hohem Salzgehalt (60‰). Frühere Studien haben gezeigt, dass Fische mit zunehmendem Salzgehalt der Umwelt während der normalen Osmoregulation die Ausscheidung von aus Fischen stammenden Karbonaten erhöhen.
Die Ergebnisse dieses Experiments zeigen, dass Krötenfische in einer Umgebung mit niedrigem Salzgehalt fast kein aus Fischen stammendes Karbonat produzieren, während unter normalen Meerwasserbedingungen eine deutliche Freisetzung von Karbonatpartikeln beobachtet werden kann und diese Produktion in einer Umgebung mit hohem Salzgehalt weiter zunimmt. Die Forscher sammelten Proben an verschiedenen Orten, darunter verschiedenen Darmabschnitten, den aus den Fischen stammenden Karbonatpartikeln selbst und dem die Fische umgebenden Wasser, um die mikrobiellen Gemeinschaften und die Genexpression in ihnen zu analysieren. Das Team identifizierte die mikrobiellen Spezies in den Proben durch Genomsequenzierung und leitete in Kombination mit der Genexpressionsanalyse die möglichen Stoffwechselwege und funktionellen Eigenschaften dieser Mikroorganismen ab.
Analytische Ergebnisse zeigten, dass Vibrio-Mikroorganismen, insbesondere Photobacterium damselae subsp. Damselae waren reichlich im Fischdarm und in aus Fisch stammenden Karbonatpartikeln vorhanden. Die Genfunktionsanalyse deutete darauf hin, dass diese Bakterien Eigenschaften und Stoffwechselwege aufweisen, die mit der Ausfällung von Kalziumkarbonat zusammenhängen, und möglicherweise direkt an der Mineralbildung beteiligt sind, anstatt nur passiv in der Darmumgebung zu leben. Auf dieser Grundlage kam das Forschungsteam zu dem Schluss, dass Fische und ihre Darmmikroorganismen wahrscheinlich gemeinsam durch synergistische Wechselwirkungen die Produktion von aus Fisch gewonnenen Carbonaten vorantreiben.
Grossel betonte, dass die überwiegende Mehrheit der Lebensformen auf der Erde zu Mikroorganismen gehören, die Nährstoffkreisläufe vorantreiben, Ökosystemfunktionen unterstützen und auf symbiotische Weise immer wieder neue Aspekte der Lebensvielfalt offenbaren. Symbiotische Phänomene kommen in der Meeresumwelt besonders häufig vor, und die mögliche symbiotische Beziehung zwischen Krötenfischen und Vibrio-Bakterien bei der Bildung von Kalziumkarbonat fügt diesem Bild einen neuen repräsentativen Fall hinzu.
Die Forscher stellen fest, dass dieser Befund neue Erkenntnisse darüber liefert, wie Meeresökosysteme die Chemie der Ozeane und den Kohlenstoffkreislauf des Ozeans beeinflussen. Wenn Folgeforschungen diesen Mechanismus weiter bestätigen können, bedeutet dies, dass eine große Anzahl von in Fischen lebenden Mikroorganismen an der Beeinflussung des Kohlenstoffspeicherprozesses und der allgemeinen Gesundheit der Ozeane in größerem Maßstab beteiligt sein könnte und ihre Rolle weit über das bisherige Verständnis hinausgeht.