Die unsichtbaren Welten unter unseren Füßen

Tief unter der Erdoberfläche, in den Poren und Spalten von Gestein, leben riesige Gemeinschaften von Mikroorganismen. Sie sind für das bloße Auge unsichtbar – und doch spielen sie eine zentrale Rolle für die Qualität des Grundwassers und für globale Stoffkreisläufe. Ein Forschungsteam um Dr. Martin Taubert vom Exzellenzcluster »Balance of the Microverse« an der Friedrich-Schiller-Universität Jena zeigt nun: Das Leben im Untergrund folgt zwei grundlegend unterschiedlichen Strategien – mit weitreichenden Folgen für Umweltforschung und Praxis.

Bisherige Einblicke in mikrobielle Gemeinschaften im Grundwasser basieren vor allem auf Proben von frei im Wasser schwebenden Mikroorganismen. Vorangegangene Studien deuteten jedoch bereits darauf hin, dass dies nur einen kleinen Teil des Bildes erfasst. Tatsächlich leben die allermeisten Mikroorganismen im Untergrund als Biofilme fest an Gesteinsoberflächen – sie sind dort bis zu tausendmal häufiger als freischwimmende Organismen.

Um die bislang kaum untersuchte Lebensweise dieser »angehefteten« Mikroorganismen besser zu verstehen, analysierte das Team mikrobielle Gemeinschaften, die sich auf Karbonatgestein in einem natürlichen Grundwasserleiter im Thüringer Hainich angesiedelt hatten. Mithilfe moderner Genom-Analysen verglichen die Forschenden die angehefteten Gemeinschaften mit freilebenden Mikroorganismen aus dem gleichen System.

Zwei kontrastierende mikrobielle Ökosysteme

Das Ergebnis ist eindeutig: Trotz ihres engen räumlichen Kontakts und möglicher Wechselwirkungen bilden die Mikroorganismen im Wasser und am Gestein zwei stark kontrastierende ökologische Gemeinschaften. Nicht nur unterscheiden sich die Arten stark, auch ihre Fähigkeiten sind grundlegend verschieden.

»Wir haben herausgefunden, dass die Lebensweise der Mikroorganismen – angeheftet am Gestein oder frei im Wasser schweben – einen stärkeren Einfluss auf die Struktur der Lebensgemeinschaft haben als Umweltfaktoren, wie beispielsweise die Verfügbarkeit von Sauerstoff«, erläutert Alisha Sharma, die die Studie im Rahmen ihrer Promotion durchgeführt hat.

Die an Gestein gebundenen Mikroben sind hoch spezialisiert. Sie können Energie aus anorganischen Stoffen wie Eisen oder Schwefel gewinnen und dabei Kohlendioxid binden. Damit tragen sie aktiv zur Kohlenstoffspeicherung im Untergrund bei. Die frei im Wasser lebenden Mikroorganismen sind dagegen funktionell deutlich eingeschränkter.

»Wenn wir die an Gestein angeheftete Gemeinschaft ignorieren, übersehen wir einen wichtigen funktionellen Akteur im Grundwassersystem«, erklärt Dr. Martin Taubert, Arbeitsgruppenleiter im Exzellenzcluster. »Diese Mikroorganismen leisten einen wichtigen Beitrag zu zentralen chemischen Prozessen wie dem Kohlenstoffkreislauf.«

Bedeutung für Umwelt, Wasserwirtschaft und Klimamodelle

Die Erkenntnisse haben konkrete praktische Relevanz. Grundwasser ist eine der wichtigsten Trinkwasserressourcen weltweit. Ein besseres Verständnis der mikrobiellen Prozesse im Untergrund hilft, Stoffumsetzungen im Untergrund realistischer zu bewerten, etwa bei der natürlichen Selbstreinigung von Grundwasser oder bei der langfristigen Speicherung von Kohlenstoff.

Zudem legen die Ergebnisse nahe, dass Grundwasserökosysteme in Karbonatgestein deutlich mehr Kohlendioxid im Untergrund binden können als bisher angenommen – ein Aspekt, der für Klimamodelle und Bewertungen natürlicher Kohlenstoffsenken relevant ist.

Beitrag zum Exzellenzcluster »Balance of the Microverse«

Die Studie steht exemplarisch für den Forschungsansatz des Exzellenzclusters »Balance of the Microverse«. Ziel des Clusters ist es, zu verstehen, wie mikrobielle Gemeinschaften ihre Umwelt formen – und wie umgekehrt Umweltbedingungen das mikrobielle Gleichgewicht beeinflussen.

»Mikroorganismen halten viele natürliche Systeme im Gleichgewicht, ohne dass wir es bemerken«, sagt Prof. Kirsten Küsel, Professorin für Aquatische Geomikrobiologie und Sprecherin des Exzellenzclusters »Balance of the Microverse«. »Indem wir ihre verborgenen Lebensräume erschließen, verstehen wir besser, wie stabil – oder verletzlich – diese Systeme wirklich sind.«

Die Arbeit zeigt eindrücklich, dass das mikrobielle Leben im Untergrund kein passiver Hintergrund ist, sondern ein aktiver Gestalter der Umwelt – mit Bedeutung weit über den Boden unter unseren Füßen hinaus.