Leben am energetischen Limit

Wie können Mikroorganismen überleben, wenn kaum Energie und Nährstoffe verfügbar sind? Dieser Frage widmet sich eine neue Übersichtsarbeit von Forschenden der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der schwedischen Linnaeus Universität, die jetzt in der Fachzeitschrift Nature Microbiology erschienen ist. Darin stellen Prof. Dr. Kirsten Küsel und Prof. Dr. Mark Dopson das Konzept der »mikrobiellen Genügsamkeit« (microbial frugality) vor – ein neues Rahmenkonzept, das erklärt, wie Mikroorganismen unter den extrem energiearmen Bedingungen des Grundwassers überdauern und dennoch zentrale Stoffkreisläufe aufrechterhalten.

Unter unseren Füßen liegt einer der größten und zugleich am wenigsten erforschten Lebensräume der Erde. In Grundwasserleitern, Gesteinsporen und tiefen Felsspalten leben gewaltige mikrobielle Gemeinschaften – ohne Sonnenlicht, mit nur wenigen Nährstoffen und am Rande des energetisch Möglichen. Wie diese Organismen unter solchen Bedingungen über lange Zeiträume bestehen können, fassen Prof. Dr. Kirsten Küsel von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Sprecherin des Exzellenzclusters »Balance of the Microverse«, und Prof. Dr. Mark Dopson von der Linnaeus Universität in ihrer gemeinsamen Übersichtsarbeit zusammen.

Mikrobielle Genügsamkeit als neues Rahmenkonzept

Im Mittelpunkt der Arbeit steht das Konzept der »microbial frugality«, der mikrobiellen Genügsamkeit. Es beschreibt evolutionär entstandene Eigenschaften, die Mikroorganismen befähigen, ihren Energieverbrauch auf ein Minimum zu reduzieren, verfügbare Ressourcen effizient zu nutzen und selbst unter chronischem Energiemangel dauerhaft zu überleben.

Für die Übersichtsarbeit werteten sie zahlreiche internationale Studien zu Grundwasserökosystemen aus und führten deren Ergebnisse in einem gemeinsamen konzeptionellen Rahmen zusammen. Dabei zeigte sich, dass Mikroorganismen weltweit ähnliche Anpassungen entwickelt haben, um unter dauerhaftem Energie- und Nährstoffmangel zu bestehen. 
Leben am energetischen Limit

Viele Grundwasser-Mikroorganismen wachsen extrem langsam, nutzen unterschiedliche Energiequellen flexibel oder sind auf enge Stoffwechselpartnerschaften mit anderen Mikroorganismen angewiesen. Gleichzeitig verbleiben sie in einem energiesparenden Bereitschaftszustand, der es ihnen erlaubt, auf kurzzeitige Nährstoffeinträge sofort zu reagieren oder gespeicherte Energiereserven zu mobilisieren. Gemeinsam ermöglichen diese Eigenschaften ein dauerhaftes Leben unter Bedingungen, die lange Zeit als kaum bewohnbar galten.

»Grundwasser-Mikroorganismen leben dauerhaft am energetischen Limit«, erklärt Prof. Küsel. »Unsere Analyse zeigt, dass ihre evolutionären Anpassungen es ihnen ermöglichen, selbst unter chronischem Energiemangel über sehr lange Zeiträume aktiv zu bleiben. Dieses Prinzip beschreiben wir als mikrobielle Genügsamkeit.«

Bedeutung für Klima und Wasserressourcen

Die Bedeutung dieser Erkenntnisse reicht weit über die Mikrobiologie hinaus. Grundwasser ist das größte Reservoir flüssigen Süßwassers der Erde und versorgt weltweit Milliarden Menschen mit Trinkwasser. Gleichzeitig beeinflussen die dort lebenden Mikroorganismen zentrale Stoffkreisläufe: Sie binden Kohlenstoff, bauen Methan ab und steuern Umsetzungen von Stickstoff-, Schwefel- und Eisenverbindungen. Dadurch tragen sie wesentlich zur chemischen Stabilität von Grundwasserökosystemen und zur Regulierung klimarelevanter Gase bei.

Die Autoren sehen ihr Rahmenkonzept als wichtige Grundlage, um die Rolle des Grundwassers in globalen Stoffkreisläufen, für die Wasserqualität und im Klimasystem künftig besser zu verstehen.

»Diese Mikroorganismen gehören zu den verborgensten, aber zugleich wichtigsten Akteuren der Erde«, sagt Küsel. »Wer die Zukunft unserer Grundwasserressourcen verstehen und schützen möchte, muss auch die Lebensgemeinschaften berücksichtigen, die tief im Untergrund unter dauerhaftem Energiemangel existieren.«