Forscher decken einen Engpass für die Selbstreinigungskapazität tiefer Seen auf

Mikroorganismen helfen, das Wasser von Seen sauber zu halten. Dabei entgiften sie auch die Stickstoffverbindung Ammonium, die zum Beispiel durch Düngemittel in Gewässer eingetragen wird und auch natürlich durch Stoffwechselprozesse entsteht.

Ein internationales Team unter Leitung der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) mit den IGB-Forschern Hans-Peter Grossart und Danny Ionescu hat nun gezeigt, dass diese Entgiftung von Ammonium in den Tiefen europäischer Seen nur von einer extrem geringen Zahl spezifischer aufrechterhalten wird Arten von Archaebakterien.

Ammonium ist eine Stickstoffverbindung, die in hohen Konzentrationen für Wasserlebewesen giftig ist und Trinkwasserquellen verseucht. Es entsteht beim Abbau organischer Stoffe in der Wassersäule und gelangt auch als landwirtschaftlicher Dünger aus terrestrischen Gebieten im Einzugsgebiet in Seen und Flüsse. Glücklicherweise besteht die Selbstreinigungskraft der Gewässer in Form unzähliger Mikroorganismen, die Ammonium abbauen.

In den tiefen Schichten nährstoffarmer Seen mit großen Gewässern (wie dem Bodensee und vielen anderen Voralpenseen) übernehmen Archaebakterien diese Funktion. Sie wandeln Ammonium in Nitrat um, das dann zur Herstellung von N2-Stickstoff verwendet wird – einem Hauptbestandteil der Luft.

Nur etwa eine bis 15 verschiedene Arten Ammonium abbauender Archaebakterien in tiefen Seen weltweit

Die Forscher untersuchten die Biodiversität und Evolutionsgeschichte von Ammonium-oxidierenden Archaebakterien in tiefen Seen auf fünf Kontinenten. Sie konnten zeigen, dass die Artenvielfalt dieser Archaeen in Seen weltweit im Durchschnitt nur etwa eine bis 15 Arten beträgt. In europäischen Seen ist die dominante Art sogar stark klonal und weist eine geringe genomische Mikrodiversität auf.

„Diese Artenarmut macht die Selbstreinigungskraft tiefer Seen potenziell anfällig für Umweltveränderungen und steht im Gegensatz zu marinen Ökosystemen, in denen eine viel höhere Artenvielfalt dieser Gruppe von Mikroorganismen vorherrscht“, erklärt Hans-Peter Großart, Co-Autor der veröffentlichten Studie im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte.

Selektionsdruck durch Lebensraumwechsel vom Meer zum Süßwasser

Das Team fand auch eine Erklärung für den Mangel dieser Art: Die Besiedlung von Süßwasser ging immer von marinen Lebensräumen aus. Aufgrund der viel geringeren Salzkonzentrationen im Süßwasser mussten die Archaeen jedoch große Veränderungen ihrer Zellstruktur durchmachen, was ihnen im Laufe der Evolution nur wenige Male gelang. „Dieser Selektionsdruck hat wahrscheinlich verhindert, dass eine größere Vielfalt von Ammonium-oxidierenden Archaeen Süßwasser besiedelt“, sagt Danny Ionescu, ein weiterer Co-Autor der Studie.

Überrascht waren die Forscher von dem Befund, dass sich die in Europa vorherrschende Süßwasserart in den 13 Millionen Jahren seit ihrem Auftreten kaum verändert und sich quasi klonal von Europa nach Asien ausgebreitet hat. Die Autoren gehen davon aus, dass niedrige Nährstoffe in Kombination mit einer niedrigen Temperatur von 4 Grad Celsius unterhalb der Sprungschicht und einigen weiteren limitierenden Faktoren der untersuchten Seen hohe Wachstumsraten und damit verbundene evolutionäre Veränderungen verhindern.

Diese Archaebakterien sind somit in einem Zustand geringer genetischer Diversität gefangen. Da die Auswirkungen des Klimawandels im Süßwasser stärker ausgeprägt sind als in marinen Lebensräumen, was mit einem Verlust an Biodiversität einhergeht, bleibt unklar, wie die extrem artenarmen und evolutionär statischen Süßwasser-Archaeen auf Veränderungen durch globale Erwärmung und Überdüngung reagieren werden Agrarland.