Wie können Mikroorganismen dauerhaft überleben, wenn Energie und Nährstoffe kaum verfügbar sind? Dieser Frage widmet sich eine neue Übersichtsarbeit von Forschenden der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der schwedischen Linnaeus Universität, die 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. Das neue Rahmenkonzept beschreibt, wie Mikroorganismen unter den extrem energiearmen Bedingungen des Grundwassers bestehen und gleichzeitig wichtige Stoffkreisläufe aufrechterhalten.
In Grundwasserleitern, Gesteinsporen und tiefen Felsspalten existieren riesige mikrobielle Gemeinschaften – ohne Sonnenlicht, mit nur wenigen Nährstoffen und unter Bedingungen am energetischen Limit. Wie diese Organismen dennoch über lange Zeiträume überleben 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.
Effiziente Strategien gegen Energiemangel
Im Mittelpunkt der Veröffentlichung steht das Konzept der „microbial frugality“, der mikrobiellen Genügsamkeit. Es beschreibt evolutionär entstandene Eigenschaften, mit denen Mikroorganismen ihren Energiebedarf auf ein Minimum reduzieren, vorhandene Ressourcen besonders effizient nutzen und auch unter dauerhaftem Energiemangel überleben können.
Für ihre Übersichtsarbeit werteten die Forschenden zahlreiche internationale Studien zu Grundwasserökosystemen aus und führten deren Ergebnisse in einem gemeinsamen konzeptionellen Rahmen zusammen. Dabei zeigte sich, dass Mikroorganismen weltweit vergleichbare Strategien entwickelt haben, um unter anhaltendem Energie- und Nährstoffmangel zu bestehen.
Überleben unter extremen Bedingungen
Viele Grundwasser-Mikroorganismen wachsen nur sehr langsam, können flexibel verschiedene Energiequellen nutzen oder gehen enge Stoffwechselpartnerschaften mit anderen Mikroorganismen ein. Zudem verbleiben sie in einem energiesparenden Bereitschaftszustand, der es ihnen ermöglicht, kurzfristig auf Nährstoffeinträge zu reagieren oder gespeicherte Energiereserven zu mobilisieren. Zusammengenommen erlauben diese Anpassungen 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.“
Relevanz für Wasserqualität und Klima
Die Bedeutung der Ergebnisse 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, indem sie Kohlenstoff binden, Methan abbauen und Umsetzungen von Stickstoff-, Schwefel- und Eisenverbindungen steuern. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag zur chemischen Stabilität von Grundwasserökosystemen und zur Regulierung klimarelevanter Gase.
Nach Einschätzung der Autoren bildet das neue Rahmenkonzept eine 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.“
