Unsichtbare Akteure im Grundwasser

Grundwasser gilt als der größte Speicher an flüssigem Süßwasser auf der Erde und als Lebensraum für komplexe mikrobielle Gemeinschaften, die essenzielle biogeochemische Kreisläufe antreiben. Bislang war die Rolle von Viren, die Mikroorganismen in diesem verborgenen Ökosystem infizieren, jedoch weitgehend unbekannt. Ein internationales Forschungsteam, darunter Dr. Akbar Adjie Pratama und Prof. Dr. Kirsten Küsel vom Exzellenzcluster »Balance of the Microverse« der Universität Jena sowie Prof. Dr. Matthew B. Sullivan von der Ohio State University, hat nun erstmals ein umfassendes Bild der viralen Vielfalt und Funktion in einem Grundwassersystem erstellt. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift »Nature Communications« veröffentlicht.

Mehr als 257.000 Viren entdeckt – fast alle waren bisher unbekannt

Die Forschenden analysierten große Mengen an umweltgenomischen Daten (1,24 Terabasen) aus sieben Grundwasserbrunnen des Hainich Critical Zone Exploratory in Thüringen. Dabei identifizierte das Team mehr als 257.000 virale taxonomische Einheiten, also Viren auf Artenebene, von denen 99 Prozent zuvor unbekannt waren.

Viren beeinflussen die Funktion ihrer mikrobiellen Wirte

Besonders überrascht hat das Forschungsteam, dass sich unter den nachgewiesenen Viren zahlreiche Arten fanden, die sogenannte Auxiliary Metabolic Genes (AMGs) tragen. Diese AMGs ermöglichen es den Viren, den Stoffwechsel ihrer Wirte neu zu programmieren und so direkt den Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreislauf zu beeinflussen – Prozesse, die für die biogeochemischen Flüsse auf Ökosystemebene von zentraler Bedeutung sind. Akbar Adjie Pratama (Erstautor der Studie) erklärt: »Das Vorkommen und die funktionelle Vielfalt viraler AMG liefert eine wichtige Grundlage, um zu untersuchen, wie Viren die Dynamik mikrobieller Gemeinschaften, metabolische Umprogrammierungen und den Nährstoffkreislauf im Grundwasser beeinflussen.«

Aus dem verbreiteten Vorkommen von AMGs folgern die Forschenden, dass Viren bei der Modulation des Stoffwechsels ihrer mikrobiellen Wirte eine Rolle spielen. Auch wenn diese Schlussfolgerungen eher auf Genomdaten als auf experimentellen Beweisen beruhen, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Viren das Mikrobiom des Grundwassers entscheidend prägen.

Neue Perspektiven auf komplexe Wechselwirkungen

Die Daten zeigen, dass Viren dabei nicht nur einzelne Mikroorganismen beeinflussen, sondern in komplexe mikrobielle Netzwerke eingebunden sind. So könnten Viren gleichzeitig ultrakleine Organismen und deren Wirte kontrollieren – ein Mechanismus, der bislang vor allem aus extremen Lebensräumen bekannt war, wie beispielsweise in sauren Grubenwässern, übersalzten Seen und hydrothermalen Ökosystemen. Die aktuelle Untersuchung zeigt zudem: Während man Viren häufig als Erreger mit nur einem Wirt betrachtet, ist die Situation im Grundwasser deutlich komplexer. So scheinen Viren, die ultrakleine Mikroben infizieren, in eine Art ménage à trois involviert zu sein, bei dem drei Akteure von der Infektion betroffen sind.

Die Entdeckung dieser mehrschichtigen Interaktionen erweitert das Verständnis des Grundwasser-Mikrobioms und unterstreicht die enge Vernetzung dieser Lebensgemeinschaften. Zudem ist die Studie hypothesengenerierend und bildet eine Grundlage für zukünftige gezielte Experimente und weiterführende Untersuchungen.

Prof. Dr. Matthew B. Sullivan, Koautor der Studie, betont die Bedeutung der Ergebnisse: »Das Verständnis der Rolle von Viren in diesen Systemen ist entscheidend, um vorhersagen zu können, wie Grundwasserökosysteme auf Umweltveränderungen reagieren.«

»Unsere Ergebnisse zeigen, dass Viren keine passiven Schädlinge sind, sondern aktive Akteure, die wichtige Funktionen des Grundwassermikrobioms beeinflussen«, ergänzt Prof. Dr. Kirsten Küsel, Sprecherin des Exzellenzclusters.

Bedeutung für Umwelt und Wassermanagement

Die Ergebnisse sind auch von praktischer Relevanz: Das Verständnis der viralen Kontrolle über Nährstoffkreisläufe liefert die notwendigen Indikatoren für die Modellierung von Ökosystemreaktionen. So kann zukünftig auf der Grundlage von Veränderungen im viralen Nährstoffumsatz vorhergesagt werden, wie Grundwassersysteme auf den Klimawandel, sinkende Wasserstände oder Nährstoffeinträge reagieren werden. Darüber hinaus ermöglicht das Wissen über AMGs präzisere Modelle globaler biogeochemischer Prozesse im Untergrund und eröffnet Perspektiven für biotechnologische Anwendungen.