Unter dem Strandsand liegt eine verborgene Welt voller Leben. Neue von Stanford geleitete Forschung gibt Aufschluss darüber, wie mikrobielle Gemeinschaften im Küstengrundwasser auf infiltrierendes Meerwasser reagieren.
Die Studie, veröffentlicht In Umweltmikrobiologieenthüllt die Vielfalt des mikrobiellen Lebens in diesen kritischen Ökosystemen und was passieren könnte, wenn sie durch steigende Meere überschwemmt würden.
„Strände können als Filter zwischen Land und Meer fungieren und Grundwasser und damit verbundene Chemikalien verarbeiten, bevor sie das Meer erreichen“, sagte die Co-Erstautorin der Studie, Jessica Bullington, eine Ph.D. Student der Erdsystemwissenschaften an der Stanford Doerr School of Sustainability. „Zu verstehen, wie diese Ökosysteme funktionieren, ist der Schlüssel zur Sicherung ihrer Dienste angesichts des Anstiegs des Meeresspiegels.“
Das Forschungsteam führte die intensive Studie am Stinson Beach nördlich von San Francisco durch. Stinson Beach steht stellvertretend für einen „Hochenergie“-Strand, an dem es weltweit nur eine Handvoll früherer Veröffentlichungen zum Mikrobiom gibt.
Mikrobielle Wächter
Mikrobielle Gemeinschaften, die im Grundwasser im Strandsand leben, spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Küstenwasserqualität. Diese Mikroben helfen beim Abbau von Chemikalien, einschließlich überschüssiger Nährstoffe wie Stickstoff, die aus natürlichen Quellen, wie z. B. zersetzendem Pflanzenmaterial, oder menschlichen Quellen, wie landwirtschaftlichen Abwässern und Abwasser, stammen können.
Um die Dynamik dieses mikrobiellen Filtersystems besser zu verstehen, reiste das Forschungsteam nach Stinson Beach. Über zwei Wochen hinweg, sowohl in der Regen- als auch in der Trockenzeit, sammelten sie rund um die Uhr Proben aus der unterirdischen Flussmündung des Strandes, um die wechselnden Gezeiten zu erfassen. Anschließend analysierten die Forscher die mikrobielle DNA mithilfe fortschrittlicher Gensequenzierungstechniken. Dieser Ansatz – der erste seiner Art in einem so kurzen Zeitrahmen – lieferte beispiellose Einblicke in die Zusammensetzung und Stabilität der mikrobiellen Gemeinschaft.
Die Forscher fanden heraus, dass die mikrobiellen Gemeinschaften über wechselnde Gezeitenbedingungen und Jahreszeiten hinweg relativ stabil blieben. Allerdings verursachte ein Wellenüberlaufereignis – bei dem Meerwasser aufgrund energiereicher Wellen in den Grundwasserleiter strömte – erhebliche Veränderungen in der mikrobiellen Zusammensetzung. Es wird erwartet, dass solche Störungen mit steigendem Meeresspiegel und Sturmfluten häufiger auftreten, was es den Mikroben erschwert, ihre Wasserreinigungsarbeit zu leisten.
„Diese Mikroben leben in komplexen Gemeinschaften, von denen viele spezielle Aufgaben haben, zu denen die Verarbeitung von Nährstoffen und sogar die Produktion oder der Verbrauch von Treibhausgasen gehören“, sagte Co-Autor Christopher Francis, Professor für Erdsystemwissenschaften und Ozeane an der Stanford Doerr School of Sustainability.
„Die Widerstandsfähigkeit der mikrobiellen Gemeinschaft unter typischen Bedingungen ist ermutigend, aber Störungen wie Wellenüberflutungen verdeutlichen ihre Anfälligkeit gegenüber dem Klimawandel“, sagte Co-Erstautorin Katie Langenfeld, Postdoktorandin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Stanford zum Zeitpunkt der Forschung und aktuell Postdoktorand an der University of Michigan.
Auswirkungen auf die Widerstandsfähigkeit der Küsten
Die Ergebnisse der Studie bilden eine entscheidende Grundlage für das Verständnis der Funktionsweise unterirdischer Flussmündungen und ihrer Reaktion auf Umweltveränderungen. Wenn der Meeresspiegel steigt, wird der Strandsand ins Landesinnere verdrängt oder erodiert, wodurch sich die Hydrologie, Chemie und mikrobielle Zusammensetzung des Grundwassers verändert.
Die Forschung fügt dem Puzzle der Küstenresilienz ein entscheidendes Stück hinzu. Indem die Studie das Zusammenspiel zwischen mikrobieller Dynamik und physikalischen Prozessen wie Wellenbewegungen hervorhebt, stellt sie drohende Veränderungen des Küstengrundwassers in Frage. Den Forschern zufolge sollten politische Entscheidungsträger und Küstenplaner die Rolle dieser verborgenen Ökosysteme bei der Entwicklung von Strategien zur Bewältigung des Meeresspiegelanstiegs berücksichtigen.
„Wir verlassen uns auf diese mikrobiellen Gemeinschaften für den wesentlichen biogeochemischen Kreislauf an der Land-Meer-Grenzfläche“, sagte Mitautorin Alexandria Boehm, Richard und Rhoda Goldman-Professorin für Umweltstudien an der Stanford Doerr School of Sustainability und der Stanford School of Engineering. „Wenn ihre Kapazität aufgrund von Klimaauswirkungen abnimmt, könnten wir Kaskadeneffekte auf die Qualität des Küstenwassers und das Leben im Meer beobachten.“
Weitere Informationen:
Jessica A. Bullington et al., Die mikrobielle Gemeinschaft einer unterirdischen Sandy Beach-Mündung ist räumlich heterogen und wird von Winterwellen beeinflusst, Umweltmikrobiologie (2024). DOI: 10.1111/1462-2920.70009