Wie Mikroorganismen an Gesteinsoberflächen das Grundwasser prägen

Tief unter der Erdoberfläche existieren in den Gesteinsporen und -spalten riesige, für das bloße Auge unsichtbare Gemeinschaften von Mikroorganismen, die eine zentrale Rolle für die Qualität des Grundwassers sowie die globalen Stoffkreisläufe spielen. Ein Forschungsteam um Dr. Martin Taubert vom Jenaer Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“ an der Friedrich-Schiller-Universität konnte nun nachweisen, dass das Leben im Untergrund zwei grundlegend unterschiedlichen Strategien folgt, was weitreichende Folgen für die Umweltforschung und die Praxis hat.

Während bisherige Einblicke in diese Gemeinschaften primär auf Proben frei im Wasser schwebender Organismen basierten, deuteten frühere Studien bereits an, dass dies nur einen Bruchteil der Realität abbildet. Tatsächlich siedeln die meisten Mikroorganismen im Untergrund als Biofilme fest an Gesteinsoberflächen an, wo sie bis zu tausendmal häufiger vorkommen als ihre freischwimmenden Artgenossen. Um diese bisher kaum untersuchte Lebensweise der „angehefteten“ Mikroorganismen zu entschlüsseln, analysierte das Team Gemeinschaften auf Karbonatgestein in einem natürlichen Grundwasserleiter im Thüringer Hainich und verglich diese mittels moderner Genom-Analysen mit den freilebenden Organismen desselben Systems.

Zwei kontrastierende mikrobielle Ökosysteme

Das Ergebnis der Untersuchungen ist eindeutig, denn trotz des engen räumlichen Kontakts und potenzieller Wechselwirkungen bilden die Mikroorganismen im Wasser und am Gestein zwei stark kontrastierende ökologische Gemeinschaften. Dabei unterscheiden sich nicht nur die Arten erheblich voneinander, sondern auch ihre grundlegenden Fähigkeiten. „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.

Während die an Gestein gebundenen Mikroben hoch spezialisiert sind und Energie aus anorganischen Stoffen wie Eisen oder Schwefel gewinnen können, binden sie dabei gleichzeitig Kohlendioxid und tragen so aktiv zur Kohlenstoffspeicherung im Untergrund bei. Im Gegensatz dazu sind die frei im Wasser lebenden Mikroorganismen funktionell deutlich eingeschränkter. „Wenn wir die an Gestein angeheftete Gemeinschaft ignorieren, übersehen wir einen wichtigen funktionellen Akteur im Grundwassersystem“, erklärt Dr. Martin Taubert. „Diese Mikroorganismen leisten einen wichtigen Beitrag zu zentralen chemischen Prozessen wie dem Kohlenstoffkreislauf.“

Bedeutung für Umwelt, Wasserwirtschaft und Klimamodelle

Diese Erkenntnisse besitzen eine konkrete praktische Relevanz, da Grundwasser weltweit zu den wichtigsten Trinkwasserressourcen zählt. Ein vertieftes Verständnis der mikrobiellen Prozesse im Untergrund ermöglicht es, Stoffumsetzungen realistischer zu bewerten – was beispielsweise für die natürliche Selbstreinigung des Wassers oder die langfristige Speicherung von Kohlenstoff entscheidend ist. Zudem legen die Ergebnisse nahe, dass Grundwasserökosysteme in Karbonatgestein deutlich mehr Kohlendioxid binden können als bislang vermutet, was einen wesentlichen Faktor für zukünftige Klimamodelle und die Bewertung natürlicher Kohlenstoffsenken darstellt.

Beitrag zum Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“

Die vorliegende Studie steht exemplarisch für den Forschungsansatz des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“, dessen Ziel es ist, das wechselseitige Formungsverhältnis zwischen mikrobiellen Gemeinschaften und ihrer Umwelt zu verstehen. „Mikroorganismen halten viele natürliche Systeme im Gleichgewicht, ohne dass wir es bemerken“, sagt Prof. Kirsten Küsel. „Indem wir ihre verborgenen Lebensräume erschließen, verstehen wir besser, wie stabil – oder verletzlich – diese Systeme wirklich sind.“ Damit verdeutlicht die Arbeit eindrücklich, dass das mikrobielle Leben im Untergrund kein passiver Hintergrund ist, sondern ein aktiver Gestalter der Umwelt mit einer Bedeutung, die weit über den Boden unter unseren Füßen hinausreicht.

Quelle

Friedrich-Schiller-Universität Jena (02/2026)