Unsichtbare Akteure im Grundwasser

Grundwasser ist der weltweit größte flüssige Süßwasserspeicher und beherbergt komplexe mikrobielle Gemeinschaften, die zentrale biogeochemische Kreisläufe steuern. Trotz dieser Bedeutung blieb die Rolle der Viren, die diese Mikroorganismen infizieren, lange Zeit ungeklärt. Einem internationalen Forschungsteam um Dr. Akbar Adjie Pratama, Prof. Dr. Kirsten Küsel (Universität Jena) und Prof. Dr. Matthew B. Sullivan (Ohio State University) ist es nun erstmals gelungen, die virale Vielfalt und Funktion in einem Grundwassersystem umfassend zu charakterisieren.

Mehr als 257.000 Viren entdeckt – fast alle waren bisher unbekannt

Für ihre Untersuchung analysierte das Team umfangreiche umweltgenomische Daten im Umfang von 1,24 Terabasen, die aus sieben Grundwasserbrunnen des Hainich Critical Zone Exploratory in Thüringen gewonnen wurden. Dabei gelang es den Forschenden, über 257.000 virale taxonomische Einheiten auf Artebene zu identifizieren, wobei beeindruckende 99 Prozent dieser Viren der Wissenschaft zuvor gänzlich unbekannt waren.

Viren beeinflussen die Funktion ihrer mikrobiellen Wirte

Das Forschungsteam stieß auf die überraschende Erkenntnis, dass zahlreiche der nachgewiesenen Viren sogenannte Auxiliary Metabolic Genes (AMGs) tragen. Diese speziellen Gene versetzen Viren in die Lage, den Stoffwechsel ihrer Wirte umzuprogrammieren und dadurch direkt Einfluss auf den Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreislauf zu nehmen – Prozesse, die für die biogeochemischen Flüsse des gesamten Ökosystems essenziell sind. Akbar Adjie Pratama 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 der weiten Verbreitung dieser AMGs leiten die Forschenden ab, dass Viren eine aktive Rolle bei der Modulation des mikrobiellen Stoffwechsels spielen. Auch wenn diese Schlüsse bislang primär auf Genomdaten und noch nicht auf experimentellen Beweisen fußen, deuten die Ergebnisse stark darauf hin, dass Viren das Mikrobiom des Grundwassers und dessen ökologische Funktionen entscheidend prägen.

Neue Perspektiven auf komplexe Wechselwirkungen

Die erhobenen Daten verdeutlichen, dass Viren weit über die Beeinflussung einzelner Mikroorganismen hinausgehen und fest in komplexe mikrobielle Netzwerke eingebunden sind. Ein bemerkenswerter Mechanismus ist dabei die gleichzeitige Kontrolle von ultrakleinen Organismen und deren Wirten – ein Phänomen, das man bislang vornehmlich aus Extremlebensräumen wie hydrothermalen Ökosystemen, übersalzten Seen oder sauren Grubenwässern kannte. Entgegen der klassischen Sichtweise auf Viren als spezialisierte Erreger mit nur einem Wirt offenbart die Situation im Grundwasser eine deutlich höhere Komplexität. So scheinen Viren, die ultrakleine Mikroben infizieren, in eine Art „ménage à trois“ verwickelt zu sein, bei der drei Akteure unmittelbar von der Infektion betroffen sind.

Diese Entdeckung mehrschichtiger Interaktionen erweitert unser Verständnis des Grundwasser-Mikrobioms grundlegend und unterstreicht die dichte Vernetzung dieser Lebensgemeinschaften. Als hypothesengenerierende Arbeit legt die Studie zudem das Fundament für künftige gezielte Experimente.

Prof. Dr. Matthew B. Sullivan 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.

Bedeutung für Umwelt und Wassermanagement

Diese wissenschaftlichen Erkenntnisse besitzen eine hohe praktische Relevanz, da das Verständnis der viralen Kontrolle über die Nährstoffkreisläufe unverzichtbare Indikatoren für die Modellierung von Ökosystemreaktionen liefert. Künftig wird es möglich sein, basierend auf Veränderungen im viralen Nährstoffumsatz präzise Vorhersagen darüber zu treffen, wie Grundwassersysteme auf Belastungen wie den Klimawandel, sinkende Wasserstände oder übermäßige Nährstoffeinträge reagieren. Darüber hinaus ermöglicht das detaillierte Wissen über die Funktionen der AMGs die Erstellung weitaus genauerer Modelle globaler biogeochemischer Prozesse im Untergrund und eröffnet zugleich neue Perspektiven für zukunftsweisende biotechnologische Anwendungen.

Quelle

Friedrich-Schiller-Universität Jena (02/2026)