Das Leben im Erdinneren ist so produktiv wie in manchen Ozeangewässern

Terrestrische und marine Lebensräume gelten als die Ökosysteme mit der bei weitem höchsten Primärproduktion auf der Erde. Mikroskopisch kleine Algen in den oberen Schichten der Ozeane und Pflanzen an Land binden atmosphärischen Kohlenstoff (CO2) und produzieren Pflanzenmaterial, das durch Photosynthese angetrieben wird. Da das Sonnenlicht nicht in den Untergrund eindringt, ist eine solche Primärproduktion kaum zu erwarten.

Genanalysen von Mikroorganismen im Grundwasser haben jedoch gezeigt, dass auch hier viele Mikroorganismen zur Primärproduktion fähig sind. In Abwesenheit von Licht müssen sie die Energie aus oxidierenden anorganischen Verbindungen gewinnen, wie aus reduziertem Schwefel des umgebenden Gesteins. Die Rolle der Primärproduzenten im Untergrund war jedoch noch nie zuvor bestätigt worden.

Grundwasser ist eine unserer wichtigsten Quellen für sauberes Trinkwasser. Allein das Grundwassermilieu der Karbonat-Aquifere, das im Fokus der Studie steht, liefert etwa zehn Prozent des weltweiten Trinkwassers. Vor diesem Hintergrund führten die Forscher Messungen der mikrobiellen Kohlenstofffixierung durch Mikroorganismen in einem unterirdischen Grundwasserleiter, 5 bis 90 Meter unter der Erde, durch.

Überraschend hohe Primärproduktionsraten bei völliger Dunkelheit

„Die von uns gemessenen Werte waren viel höher als erwartet“, sagt der Erstautor der Studie Dr. Will Overholt, Postdoktorand an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Sie entsprechen den Kohlenstofffixierungsraten, die in nährstoffarmen Meeresoberflächengewässern gemessen werden, und sind bis zu sechsmal höher als die, die in den unteren Zonen des sonnenbeschienenen offenen Ozeans beobachtet werden, wo gerade genug Licht für die Photosynthese vorhanden ist.“

Basierend auf den gemessenen Kohlenstofffixierungsraten extrapolierten die Forscher die globale Primärproduktion im Karbonat-Grundwasser vorsichtig auf 110 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr. Insgesamt würde die Nettoprimärproduktivität von etwa 66 Prozent der Grundwasserreservoirs der Erde 260 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr betragen, was etwa 0,5 Prozent der Meeressysteme und 0,25 Prozent der geschätzten globalen Nettoprimärproduktion entspricht.

„Das mag wenig klingen, aber diese Messungen stellen nur unsere erste Schätzung dar, was der wahre globale Wert sein könnte“, sagt Seniorautorin Prof. Kirsten Küsel von der Universität Jena und iDiv. „Da in diesen nährstoffarmen und dauerhaft dunklen Lebensräumen nur sehr wenig Energie zur Verfügung steht, ist selbst ein kleiner Prozentsatz der globalen Primärproduktion eine Überraschung.“

Die Forscher versuchten auch, die Mikroorganismen zu identifizieren, die für die Bindung von Kohlenstoff und die Erzeugung neuer Biomasse innerhalb des Grundwasserleiters verantwortlich sind. Metagenomische Analysen weisen auf einen sehr häufig vorkommenden Mikroorganismus hin, der nicht eng mit zuvor untersuchten Bakterien innerhalb einer nicht charakterisierten Ordnung von Nitrospiria verwandt ist. „Als Nahrung sollen diese Organismen die Lebensgrundlage für das gesamte Grundwasserökosystem mit all seinen Tausenden von Mikrobenarten bilden, ähnlich wie Algen in den Ozeanen oder Pflanzen an Land“, sagt Overholt.

Einzigartige Methode zur Messung der Primärproduktion von Mikroorganismen in Grundwasserleitern

Die Messung der Kohlenstofffixierung kann mit radioaktiv markiertem Kohlendioxid erfolgen. „In Karbonatgesteinsumgebungen gibt es reichlich gelöstes CO2, was es schwierig machen kann, die Kohlenstofffixierungsraten direkt zu beobachten“, sagt Prof. Susan Trumbore vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena. Das Team verwendete daher eine spezielle Methode, um eine kleine Menge markierten CO2 mithilfe hochempfindlicher Beschleuniger-Massenspektrometrie aufzuspüren. „Es ist spannend zu sehen, zu welchen neuen Erkenntnissen diese Methoden führen können“, sagt sie.

„Unsere Ergebnisse bieten neue Einblicke in die Funktionsweise dieser unterirdischen Ökosysteme und geben Hinweise, wie Grundwasserquellen überwacht oder saniert werden können“, sagt Kirsten Küsel.

Die Studie wurde veröffentlicht in Natur Geowissenschaften.

Bereitgestellt vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig