Umweltbiochemie
Gruppenleiter
Prof. Dr. Peter Schupp
+++ News +++
Bachelorarbeit im Bereich Ökotoxikologie mit dem Schwerpunkt Methodenentwicklung und analytische Chemie.
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Umweltbiochemie
Forschung
Das übergeordnete Thema der Arbeitsgruppe ist die chemische Ökologie von Meeresorganismen. Wir verwenden chemische Techniken, um die Rolle mariner Naturstoffe in ihrer Umgebung zu bewerten, und untersuchen gleichzeitig die potenziellen pharmakologischen Wirkungen ausgewählter Verbindungen. Ein Großteil der Arbeit konzentriert sich auf tropische Korallenriffe, wo chemisch-ökologische Wechselwirkungen zwischen epibenthischen Organismen in diesem wettbewerbsintensiven Umfeld besonders häufig vorkommen.
Sexuelle Fortpflanzung bei Steinkorallen
Korallenriffe sind Hotspots der Artenvielfalt, die zunehmend durch eine Vielzahl anthropogener Stressfaktoren wie Überfischung, Verschmutzung, vor allem aber durch den Klimawandel und den damit verbundenen Anstieg der Meeresoberflächentemperaturen bedroht sind.1 Anhaltend höhere Wassertemperaturen stören die Symbiose zwischen Korallen und Dinoflagellaten, was zu einer Bleiche und schließlich zum Absterben der Korallen führt,2 was, wie bei der vierten globalen Massenbleiche in den Jahren 2023-243 zu beobachten war, globale Ausmaße annehmen kann. Das Überleben der Korallenriffe hängt weitgehend von der Rekrutierung einer neuen Generation von Korallenindividuen ab, die besser an ein sich schnell veränderndes Klima und andere anthropogene Stressfaktoren (z. B. Verschmutzung, Sedimentation) angepasst sind. Daher ist ein besseres Verständnis des Besiedlungsprozesses von Korallen, der daran beteiligten Substanzen sowie der entscheidenden Umweltfaktoren, die den Erfolg der Besiedlung beeinflussen, erforderlich. In den letzten Jahren haben wir einige wichtige Fortschritte erzielt, indem wir Bakterien isoliert haben, die mit Krustenalgen assoziiert sind und den Besiedlungssignalstoff Cycloprodigiosin (CYPRO) produzieren. Diese Verbindung induziert die Ansiedlung von Korallenlarven4,5 und die Umwandlung der Rekruten in gesunde junge Polypen.6 Wir haben gezeigt, dass CYPRO die Ansiedlung bei mehreren pazifischen Korallenarten induziert, die ihre Eier ausstreuen und ihre Larven ausbrüten, was darauf hindeutet, dass es sich um einen allgemeinen Signalstoff handelt, der großes Potenzial für die Forschung und Projekte zur Wiederherstellung von Korallenriffen haben könnte.
1 Hughes et al. 2017, Nature 543, 373–377.
2 Boilard et al. 2020, Microorganisms 8, 1682.
3 ICRI and NOAA 2024, https://icriforum.org/4gbe/
4 Petersen et al. 2021, Front. Mar. Sci. 8, 749070.
5 Petersen et al. 2021, Coral Reefs 40, 381–394.
6 Fiegel et al. 2023, Front. Mar. Sci. 10, 984656.
Ökotoxikologische Studien zu Vögeln und Korallen
Unsere Gruppe untersucht seit 15 Jahren die Auswirkungen verschiedener Schadstoffe auf Vögel und setzt damit eine 20-jährige Zeitreihe fort. An der Wattenmeer Küste der Nordsee werden Vogeleier gesammelt und auf Schwermetalle, sowie persistente Industrie- und Agrochemikalien untersucht.
Ein weiteres Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung zuverlässiger Testmethoden zur Bewertung der kurz- und langfristigen Toxizität von Chemikalien für Korallenlarven und ausgewachsene Korallen. Bei diesem Projekt handelt es sich um eine Zusammenarbeit mit der Industrie zur Etablierung standardisierter ökotoxikologischer Methoden zur Untersuchung von Umweltproben, Schadstoffen und Körperpflegeprodukten wie UV-Filtern auf mögliche schädliche Auswirkungen auf Korallenlarven und ausgewachsene Steinkorallen. Da Korallenriffe aufgrund des Klimawandels weltweit zurückgehen, finden auch Stressfaktoren auf lokaler Ebene zunehmend Beachtung, darunter UV-Filter, die in Sonnenschutzmitteln verwendet werden. Dies hat in einigen Regionen bereits zu Verboten verschiedener organischer UV-Filter geführt, obwohl die diesen Verboten zugrunde liegenden Studien erhebliche Mängel im Versuchsaufbau aufwiesen.7 Unsere Forschung zielt darauf ab, fundierte chemische Analysen mit gezielten ökologischen Bewertungen der Korallengesundheit durchzuführen, um Empfehlungen gemäß internationalen Richtlinien für Umwelt- und Regierungsbehörden zu geben. Sobald solche Tests etabliert sind, könnten sie eine sichere Entwicklung und Verwendung von Agrochemikalien und Körperpflegeprodukten ermöglichen.
7 Miller et al. 2022, Toxics 10, 244.
Entwicklung nicht-invasiver Überwachungsmethoden zur Bewertung gemäßigter und tropischer Meeresökosysteme
In einem aktuellen Projekt auf der Insel Mafia in Tansania wollen wir dem Rückgang der Korallenriffe und der Artenvielfalt entgegenwirken, indem wir skalierbare und weniger arbeitsintensive Überwachungstechniken für ein nachhaltiges Management von Korallenriffen und Meeresschutzgebieten einsetzen. Das Projekt zielt darauf ab, einen partizipativen Ansatz bei der Wiederherstellung von Riffen zu fördern, indem Mitglieder der Gemeinde in den Wiederherstellungsprozess einbezogen werden. Um diese gemeinschaftlichen Versuche zur Wiederherstellung der Riffe effektiv zu überwachen und zu begleiten, werden in der Studie verschiedene modernste Überwachungsmethoden kombiniert eingesetzt. Zu diesen Techniken gehören Videogrammetrie, Baited Remote Underwater Video Systems (BRUVs), Linien- und Gürteltransekte sowie traditionelle taxonomische Untersuchungen. Videogrammetrie und BRUVs wurden bereits erfolgreich zur Überwachung von Meeresschutzgebieten und Kontrollstandorten in der Nordsee eingesetzt. Darüber hinaus wird das Projekt Daten validieren, die aus der Analyse von Umwelt-DNA (eDNA) gewonnen wurden, einem neuartigen und vielversprechenden Ansatz zur Bewertung der Biodiversität in marinen Ökosystemen. Durch die Integration mehrerer Methoden wollen wir die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von eDNA bei der Messung der Biodiversität und der Überwachung von Veränderungen in marinen Ökosystemen nachweisen. Bei Erfolg könnte ein solcher Ansatz als Vorlage für Überwachungsprogramme in gemäßigten und tropischen Regionen dienen.
Verständnis der Veränderungen in der Zusammensetzung und Funktion benthischer Lebensgemeinschaften
Zunehmende anthropogene Stressfaktoren, allen voran der Klimawandel, werden wahrscheinlich dazu führen, dass viele benthische Lebensgemeinschaften Veränderungen in ihrer Zusammensetzung und Funktion erfahren. An Korallenriffen wurden verschiedene benthische Veränderungen beobachtet, darunter auch eine Verlagerung hin zu Lebensgemeinschaften, die nicht von Hartkorallen dominiert werden. Der Rückgang der riffbildenden Arten und die Zunahme alternativer (d.h. nicht riffbildender) Organismen haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Funktion von Korallenriffen und die von ihnen erbrachten Leistungen, doch ist dies noch weitgehend unverstanden, insbesondere für alternative Gemeinschaften ohne Algen.8 Aktuelle Forschungs- und Beobachtungsarbeiten in der Umgebung von Manado (Indonesien) haben bereits Standorte identifiziert, an denen Teile der Riffe zu von Weichkorallen oder Ascidien dominierten Gemeinschaften umgewandelt wurden. Unser Ziel ist es, die treibenden Kräfte und Auslöser (z.B. potenzielle Umweltfaktoren), Rückkopplungsmechanismen, Veränderungen der Ökosystemfunktionen und Auswirkungen auf die Ökosystemleistungen zu identifizieren. In Experimenten in der Aquarienanlage wird die Rolle allelopathischer Sekundärmetaboliten von Schwämmen untersucht und wie diese ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber Hartkorallen beeinflussen könnten. Aquariumsexperimente werden oft mit Feldversuchen kombiniert, um die Ergebnisse vor Ort zu validieren.
Veränderungen in der benthischen Lebensgemeinschaft wurden auch in Feld- und Mesokosmos-Experimenten für das Wattenmeer untersucht. Anhand von Mesokosmos-Experimenten werden die Auswirkungen der Nährstoffanreicherung und der räumlichen Nährstoffheterogenität auf das Mikrophytobenthos sowie die Kaskadeneffekte und Wechselwirkungen mit makrofaunalen Konsumenten auf Wattflächen bewertet.
Mikrobielle Ökologie
Unsere aktuelle mikrobiologische Forschung konzentriert sich auf mikrobielle Gemeinschaften im Sediment der Nordsee und zielt darauf ab, zu entschlüsseln, wie Umwelt-, biologische und anthropogene Prozesse die benthische Mikrobiota und mikrobiellen Prozesse beeinflussen. Unsere Ergebnisse liefern erste Einblicke in benthische mikrobielle biogeografische Muster auf großer räumlicher Skala und veranschaulichen, wie anthropogene Aktivitäten wie Grundschleppnetzfischerei die Verteilung und Häufigkeit von Mikroben und den potenziellen Stoffwechsel auf Ökosystemebene verändern können.9 In der deutschen Nordsee wurden kürzlich Meeresschutzgebiete (MPAs, Marine Protected Areas) eingerichtet, in denen das Fischen teilweise oder vollständig verboten ist. Dieses Forschungsprojekt beobachtet und untersucht auch die Veränderungen der benthischen Mikrobiota innerhalb der MPAs. Zu diesem Zweck haben wir ein Bioarchiv mit Sedimentproben aus der Deutschen Bucht eingerichtet, das mit einem großen Datensatz zu mikrobiellen Gemeinschaften verknüpft ist.
Bioprospektion von Meeresbakterien und Wirbellosen
Wir haben eine umfangreiche Kultursammlung von Meeresbakterien und Wirbellosen aus Flach- und Tiefseegebieten verschiedener Orte aufgebaut. Die Organismen wurden meist nach ökologischen Beobachtungen im Feld gesammelt, die oft auf eine überlegene Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Organismen hindeuteten. Oft war die Produktion bioaktiver Verbindungen der Grund dafür, dass diese Organismen in ihren spezifischen Lebensräumen so erfolgreich waren.