Grundwasser gilt als der gr??te Speicher an flüssigem Sü?wasser auf der Erde und als Lebensraum für komplexe mikrobielle Gemeinschaften, die essenzielle biogeochemische Kreisl?ufe antreiben. Bislang war die Rolle von Viren, die Mikroorganismen in diesem verborgenen ?kosystem infizieren, jedoch weitgehend unbekannt. Ein internationales Forschungsteam, darunter Dr. Akbar Adjie Pratama und Prof. Dr. Kirsten Küsel vom Exzellenzcluster ?Balance of the Microverse? der Universit?t Jena sowie Prof. Dr. Matthew B. Sullivan von der Ohio State University, hat nun erstmals ein umfassendes Bild der viralen Vielfalt und Funktion in einem Grundwassersystem erstellt. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift ?Nature Communications? ver?ffentlicht.

Mehr als 257.000 Viren entdeckt – fast alle waren bisher unbekannt

Die Forschenden analysierten gro?e Mengen an umweltgenomischen Daten (1,24 Terabasen) aus sieben Grundwasserbrunnen des Hainich Critical Zone Exploratory in Thüringen. Dabei identifizierte das Team mehr als 257.000 virale taxonomische Einheiten, also Viren auf Artenebene, von denen 99 Prozent zuvor unbekannt waren.

Viren beeinflussen die Funktion ihrer mikrobiellen Wirte

Besonders überrascht hat das Forschungsteam, dass sich unter den nachgewiesenen Viren zahlreiche Arten fanden, die sogenannte Auxiliary Metabolic Genes (AMGs) tragen. Diese AMGs erm?glichen es den Viren, den Stoffwechsel ihrer Wirte neu zu programmieren und so direkt den Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreislauf zu beeinflussen – Prozesse, die für die biogeochemischen Flüsse auf ?kosystemebene von zentraler Bedeutung sind. Akbar Adjie Pratama (Erstautor der Studie) erkl?rt: ?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 N?hrstoffkreislauf im Grundwasser beeinflussen.?

Aus dem verbreiteten Vorkommen von AMGs folgern die Forschenden, dass Viren bei der Modulation des Stoffwechsels ihrer mikrobiellen Wirte eine Rolle spielen. Auch wenn diese Schlussfolgerungen eher auf Genomdaten als auf experimentellen Beweisen beruhen, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Viren das Mikrobiom des Grundwassers entscheidend pr?gen.

Neue Perspektiven auf komplexe Wechselwirkungen

Die Daten zeigen, dass Viren dabei nicht nur einzelne Mikroorganismen beeinflussen, sondern in komplexe mikrobielle Netzwerke eingebunden sind. So k?nnten Viren gleichzeitig ultrakleine Organismen und deren Wirte kontrollieren – ein Mechanismus, der bislang vor allem aus extremen Lebensr?umen bekannt war, wie beispielsweise in sauren Grubenw?ssern, übersalzten Seen und hydrothermalen ?kosystemen. Die aktuelle Untersuchung zeigt zudem: W?hrend man Viren h?ufig als Erreger mit nur einem Wirt betrachtet, ist die Situation im Grundwasser deutlich komplexer. So scheinen Viren, die ultrakleine Mikroben infizieren, in eine Art ménage à trois involviert zu sein, bei dem drei Akteure von der Infektion betroffen sind.

Die Entdeckung dieser mehrschichtigen Interaktionen erweitert das Verst?ndnis des Grundwasser-Mikrobioms und unterstreicht die enge Vernetzung dieser Lebensgemeinschaften. Zudem ist die Studie hypothesengenerierend und bildet eine Grundlage für zukünftige gezielte Experimente und weiterführende Untersuchungen.

Prof. Dr. Matthew B. Sullivan, Koautor der Studie, betont die Bedeutung der Ergebnisse: ?Das Verst?ndnis der Rolle von Viren in diesen Systemen ist entscheidend, um vorhersagen zu k?nnen, wie Grundwasser?kosysteme auf Umweltver?nderungen reagieren.?

?Unsere Ergebnisse zeigen, dass Viren keine passiven Sch?dlinge sind, sondern aktive Akteure, die wichtige Funktionen des Grundwassermikrobioms beeinflussen?, erg?nzt Prof. Dr. Kirsten Küsel, Sprecherin des Exzellenzclusters.

Bedeutung für Umwelt und Wassermanagement

Die Ergebnisse sind auch von praktischer Relevanz: Das Verst?ndnis der viralen Kontrolle über N?hrstoffkreisl?ufe liefert die notwendigen Indikatoren für die Modellierung von ?kosystemreaktionen. So kann zukünftig auf der Grundlage von Ver?nderungen im viralen N?hrstoffumsatz vorhergesagt werden, wie Grundwassersysteme auf den Klimawandel, sinkende Wasserst?nde oder N?hrstoffeintr?ge reagieren werden. Darüber hinaus erm?glicht das Wissen über AMGs pr?zisere Modelle globaler biogeochemischer Prozesse im Untergrund und er?ffnet Perspektiven für biotechnologische Anwendungen.