Mikroorganismen in Grundwasserleitern tief unter der Erdoberfl?che produzieren ?hnlich viel Biomasse wie solche in manchen Meeresbereichen. Zu diesem Ergebnis kommen Forschende unter Leitung der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversit?tsforschung (iDiv). Mit einer einzigartigen, hochempfindlichen Messmethode mit radioaktivem Kohlenstoff konnten sie erstmals nachweisen, dass diese Lebensgemeinschaften in absoluter Dunkelheit nicht auf Sonnenenergie angewiesen sind. Stattdessen k?nnen sie ihre Energie selbstst?ndig aus der Oxidation von Gestein oder aus Stoffen gewinnen, die nach unten transportiert werden. Die Studie wurde in ?Nature Geoscience” ver?ffentlicht.

Meere und oberirdische Landlebensr?ume gelten als die ?kosysteme mit der mit Abstand h?chsten Prim?rproduktion auf der Erde. Darunter versteht man die Umwand?lung von anorganischem in organischen Kohlenstoff. Mikroskopisch kleine Algen in den oberen Schichten der Ozeane und Pflanzen an Land binden atmosph?rischen Kohlenstoff (CO₂) und produzieren Pflanzenmaterial durch Photosynthese. Die Sonne liefert hierzu die Energie. Da das Sonnenlicht nicht in den Untergrund eindringt, ist Prim?rproduktion dort kaum zu erwarten. So viel zur Theorie.

Genetische Analysen von Mikroorganismen im Grundwasser haben jedoch gezeigt, dass auch hier viele dieser Kleinstlebewesen zur Prim?rproduktion f?hig sind. In Ermangelung von Licht müssen sie die Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen gewinnen, etwa aus reduziertem Schwefel des umgebenden Gesteins. Die Bedeutung von Prim?rproduzenten im Untergrund war jedoch bislang noch nie best?tigt worden.

Das Grundwasser ist eine unserer wichtigsten Quellen für sauberes Trinkwasser. Allein Karbonat-Aquifere, die im Mittelpunkt der Studie stehen, liefern etwa zehn Prozent des weltweiten Trinkwassers. Vor diesem Hintergrund führten die Forschenden Messungen der mikrobiellen Kohlenstofffixierung in einem unterirdischen Grundwasserleiter in 5 bis 90 Metern Tiefe durch.

Erstaunlich hohe Raten von Prim?rproduktion in totaler Dunkelheit

?Die von uns gemessenen Mengen waren viel h?her als wir erwartet hatten”, sagt der Erstautor der Studie Dr. Will Overholt, Postdoc an der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena. ?Sie entsprechen Kohlenstofffixierungsraten, die in n?hrstoffarmen marinen Oberfl?chenge?w?s?sern gemessen wurden, und sind bis zu sechsmal h?her als die, die in den unteren Zonen des sonnenbeschienenen offenen Ozeans beobachtet wurden, wo gerade genug Licht für die Photosynthese vorhanden ist.”

Auf der Grundlage der gemessenen Kohlenstoffbindungsraten haben die Wissenschaftle?rinnen und Wissenschaftler die globale Prim?rproduktion in karbonathaltigem Grundwasser konservativ auf 110 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr hochgerechnet. Insgesamt k?nnte die Nettoprim?rproduktivit?t von etwa 66 Prozent der Grundwasserreservoirs der Erde 260 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr betragen, was etwa 0,5 Prozent der Nettoprim?rproduktion mariner Systeme und 0,25 Prozent der gesch?tzten globalen Nettoprim?rproduktion entspricht.

?Das mag wenig klingen, aber diese Messungen stellen nur eine erste Sch?tzung des wahren globalen Wertes dar”, sagt Letztautorin Prof. Dr. Kirsten Küsel von der Universit?t Jena und iDiv. ?Da in diesen n?hrstoffarmen und st?ndig dunklen Lebensr?umen nur sehr wenig Energie zur Verfügung steht, ist selbst ein geringer Anteil an der weltweiten Prim?rproduktion eine ?berraschung”.

Die Forschenden versuchten auch, die Mikroorganismen zu identifizieren, die für die Bindung von Kohlenstoff und die Erzeugung neuer Biomasse im Grundwasserleiter verantwortlich sind. Metagenomische Analysen deuten auf sehr h?ufig vorkommende Mikroorganismen hin, die nicht eng mit den bisher untersuchten Bakterien verwandt sind und zu einer noch nicht klassifizierten Ordnung der ?Nitrospiria” geh?ren: ?Es wird angenommen, dass diese Organismen als Nahrung die Lebensgrundlage für das gesamte Grundwasser?kosystem mit all seinen Tausenden von Mikrobenarten bilden, ?hnlich der Rolle, die Algen in den Ozeanen oder Pflanzen an Land spielen”, so Overholt.

Einzigartige Methode

Die Kohlenstoffbindung kann mit radioaktiv markiertem Kohlendioxid gemessen werden. ?In Karbonatgesteinen gibt es reichlich gel?stes CO₂, so dass es schwierig sein kann, die Kohlenstofffixierungsraten direkt zu beobachten", sagt Prof. Dr. Susan Trumbore vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena. Das Team verwendete daher eine spezielle Methode, um eine kleine Menge von markiertem CO₂ mit Hilfe der hochempfindlichen Beschleu?niger-Massenspektrometrie zu verfolgen. ?Es ist spannend zu sehen, zu welchen neuen Erkenntnissen diese Methoden führen k?nnen”, sagt sie.

?Unsere Ergebnisse bieten neue Einblicke in die Funktionsweise dieser unterirdischen ?kosysteme und geben Hinweise darauf, wie Grundwasserquellen überwacht oder saniert werden k?nnen”, sagt Kirsten Küsel.

Diese Studie ist Teil des Sonderforschungsbereichs AquaDiva der Universit?t Jena und des iDiv und wird teilweise von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) – SFB 1076 – Projektnummer 218627073 – gef?rdert.