Mit Hilfe eines erfahrenen Unterwasser-Höhlentauchteams haben Forscher der Northwestern University die bisher vollständigste Karte der mikrobiellen Gemeinschaften erstellt, die in den versunkenen Labyrinthen unter der mexikanischen Halbinsel Yucatán leben.
Obwohl frühere Forscher Wasser- und Mikrobenproben aus den Höhleneingängen und leicht zugänglichen Dolinen gesammelt haben, erreichte das von Northwestern geleitete Team die tiefen, dunklen Gänge unbeleuchteter Gewässer, um besser zu verstehen, was in diesem einzigartigen unterirdischen Reich überleben kann.
Nach der Analyse der Proben stellten die Forscher ein System voller Vielfalt fest, das in unterschiedliche Muster organisiert ist. Ähnlich wie in der stereotypen Schulkantine neigen mikrobielle Gemeinschaften innerhalb des Höhlensystems dazu, sich zu klar definierten Cliquen zusammenzuschließen. Aber eine Bakterienfamilie (Comamonadaceae) fungierte als beliebter sozialer Schmetterling und tauchte an fast zwei Dritteln der „Cafeteria-Tische“ auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Comamonadaceae der ökologische Dreh- und Angelpunkt der breiteren Gemeinschaft ist.
Der Forschung wurde veröffentlicht im Tagebuch Angewandte und Umweltmikrobiologie.
„Dies ist sicherlich die umfangreichste mikrobielle Untersuchung in diesem Teil der Welt“, sagte Magdalena R. Osburn von Northwestern, die die Studie leitete. „Das sind unglaublich spezielle Proben von unterirdischen Flüssen, die besonders schwer zu bekommen sind. Aus diesen Proben konnten wir die Gene von Mikrobenpopulationen sequenzieren, die an diesen Orten leben. Dieses unterirdische Flusssystem versorgt Millionen von Menschen mit Trinkwasser.“ Was auch immer dort mit den mikrobiellen Gemeinschaften geschieht, kann für den Menschen spürbar sein.“
Als Experte für Geobiologie ist Osburn außerordentlicher Professor für Erd- und Planetenwissenschaften am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten.
Northwestern-Alumnus Matthew Selensky leitete dieses Projekt als Teil seiner Dissertation, als er Doktorand in Osburns Labor war. Die Co-Autorin der Studie, Patricia Beddows, Professorin für Geo- und Planetenwissenschaften am Weinberg, leitete die Höhlentauchexpedition und nutzte ihre jahrzehntelange Erfahrung bei der Arbeit an diesen Höhlen. Weitere Mitautoren von Northwestern sind Andrew Jacobson, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften, und die ehemalige Doktorandin Karyn DeFranco, die sich auf Geochemie konzentrierte.
Der ausgedehnte Karbonatgrundwasserleiter von Yucatán liegt hauptsächlich im Südosten Mexikos und ist von zahlreichen Dolinen durchzogen, die zu einem komplexen Netz von Unterwasserhöhlen führen. Das Unterwassernetzwerk beherbergt ein vielfältiges, aber noch wenig erforschtes Mikrobiom und umfasst Bereiche mit Süßwasser, Meerwasser und Mischungen aus beidem. Das System umfasst auch eine Vielzahl von Zonen – von pechschwarzen, tiefen Gruben ohne direkte Öffnungen zur Oberfläche bis hin zu flacheren, im Sonnenlicht funkelnden Dolinen.
„Die Yucatan-Plattform ist im Wesentlichen ein Schweizer Käse aus Höhlenleitungen“, sagte Osburn. „Wir waren neugierig, welche Mikroben zusammen vorkommen, wenn wir das gesamte System betrachten, und welche Mikroben in einer ‚Nachbarschaft‘ vorkommen.“
Um dieser Frage nachzugehen, sammelte ein Team von Höhlentauchern 78 Wasserproben von 12 einzelnen Standorten innerhalb des Höhlensystems nahe der Karibikküste in Quintana Roo, Mexiko. Die Probensammlung erstreckte sich vom Xunaan Ha-System am nördlichen Ende über Binnen- und Küstenteile des Sac Actun-Systems (einschließlich einer markanten, 60 Meter tiefen Grube) bis zum Ox Bel Ha-System im Süden.
Zurück in einem Tauchshop, der zum Wissenschaftslabor wurde, filterten die Forscher Zellen aus jeder Probe und analysierten deren Chemie. Als nächstes identifizierten sie bei Northwestern mikrobielle Gemeinschaften durch Sequenzierung ihrer DNA. Anschließend entwickelte Selensky ein neues Rechenprogramm, um eine Netzwerkanalyse des Datensatzes durchzuführen.
Die daraus resultierenden Netzwerke zeigten, welche Arten zum Zusammenleben neigen. Für jeden Standort berücksichtigten die Forscher den Umweltkontext jeder mikrobiellen Gemeinschaft, einschließlich Höhlentyp (Grube oder Kanal), Höhlensystem, Entfernung von der Karibikküste, Geochemie und Position in der Wassersäule.
Obwohl Wasser aus dem Golf von Mexiko in den Yucatán-Grundwasserleiter fließt, unterscheidet sich das Mikrobiom des Grundwasserleiters erheblich vom nahegelegenen Meer, stellten die Forscher fest. Auch die Mikrobiome variieren im gesamten Höhlensystem – von Höhle zu Höhle und von flachem bis tiefem Wasser.
„Die mikrobiellen Gemeinschaften bilden unterschiedliche Nischen“, sagte Osburn. „Es gibt eine unterschiedliche Gruppe von Charakteren, die sich zu bewegen scheinen, je nachdem, wo man hinschaut. Aber wenn man sich den gesamten Datensatz ansieht, gibt es eine Kerngruppe von Organismen, die in jedem Ökosystem eine Schlüsselrolle zu spielen scheinen.“
Osburn und ihr Team fanden heraus, dass Comamonadaceae, eine Bakterienfamilie, die typischerweise in Grundwassersystemen vorkommt, in mehreren Nischen lebt. Sie entdeckten auch, dass ein tiefes, grubenartiges Erdloch mit einer Öffnung an der Oberfläche (durch die Sonnenlicht eindringen konnte) die meisten mikrobiellen Gemeinschaften beherbergte – getrennt in Schichten unterschiedlicher Nischen entlang der gesamten Wassersäule.
„Es scheint, dass Comamonadaceae in verschiedenen Teilen des Grundwasserleiters leicht unterschiedliche Rollen spielen, aber sie spielen immer eine wichtige Rolle“, sagte Osburn. „Je nach Region hat es einen anderen Partner. Comamonadaceae und seine Partner haben wahrscheinlich einen gegenseitigen Stoffwechsel und teilen möglicherweise Nahrung.“
Mehr Informationen:
Magdalena R. Osburn et al., Mikrobielle Biogeographie des östlichen Yucatán-Karbonat-Grundwasserleiters, Angewandte und Umweltmikrobiologie (2023). DOI: 10.1128/aem.01682-23