Schlüssel-Mikroben halten die Chemie im Xiaowan-Reservoir stabil

Eine kleine Gruppe gut vernetzter Mikroben scheint die Chemie eines riesigen Tiefwasserreservoirs stabil zu halten, obwohl sich die übrige mikrobielle Population von Jahr zu Jahr erneuert.

Über einen Zeitraum von drei Jahren veränderte sich die Artenzusammensetzung des Wassers zwischen den Jahren stärker als zwischen der sonnendurchfluteten Oberfläche und den kalten Tiefen weit darunter.

Dieses Ergebnis verändert die Sicht der Forschung auf Stabilität in solchen Systemen.

Reservoirs, die Trinkwasser bereitstellen und Wasserkraft erzeugen, erhalten ihre Nährstoffkreisläufe möglicherweise nicht dadurch aufrecht, dass stets dieselben Arten vorkommen. Entscheidend könnte vielmehr eine kleine Zahl vielseitiger Schlüssel-Mikroben sein, die gleichzeitig zahlreiche chemische Aufgaben übernehmen können.

Jahre haben mehr Gewicht als Tiefe

Das Xiaowan-Reservoir liegt hinter einem der höchsten Staudämme der Welt am Lancang-Fluss im Südwesten Chinas, der weiter flussabwärts Mekong heißt.

Mit einer Tiefe von mehr als 200 Metern bildet das Reservoir jeden Sommer zwei Schichten: eine warme Oberflächenschicht und darunter eine kalte, sauerstoffarme Wasserschicht.

Um die Mikroben des Reservoirs über längere Zeit zu verfolgen, entnahm ein Team mit dem korrespondierenden Co-Autor Baogang Zhang von der China University of Geosciences (CUGB) in Peking zwischen 2017 und 2019 Wasserproben.

Die Proben wurden im Winter und Sommer sowohl nahe der Wasseroberfläche als auch in etwa 80 Metern Tiefe genommen.

Zeit bestimmt den Wandel der Mikroben

Die Forschenden stützten sich auf zwei genetische Verfahren. Mit dem einen ermittelten sie, welche Mikroben vorhanden waren.

Das andere Verfahren rekonstruierte aus der gemischten DNA des Wassers die Genome einzelner Mikroben und zeigte dadurch, wozu diese jeweils genetisch ausgestattet waren.

Frühere Untersuchungen von Reservoirs hatten überwiegend Jahreszeiten oder Wassertiefen verglichen. Die gleiche Anlage über mehrere Jahre hinweg zu beobachten, war die neuere Fragestellung – und das Ergebnis fiel eindeutig aus.

Die Unterschiede zwischen den einzelnen Jahren waren wesentlich größer als jene zwischen den oberflächennahen und tiefen Proben.

Zudem entfernte sich die Gemeinschaft jedes Jahr kontinuierlich weiter von ihrem Ausgangszustand, anstatt dorthin zurückzukehren: Es handelte sich um eine gerichtete Veränderung und nicht um einen saisonalen Kreislauf.

Besonders ausgeprägt waren die Verschiebungen bei einzelnen Mikrobengruppen.

Brevundimonas war 2017 und erneut 2019 das vorherrschende Bakterium, während Acinetobacter 2018 auf mehr als 40 Prozent der Gemeinschaft anstieg.

Gleiche Aufgaben, andere Akteure

Die Funktionen der Mikroben blieben deutlich stabiler als ihre Zusammensetzung. Obwohl sich Arten ablösten, veränderte sich das gesamte Spektrum chemischer Funktionen der Gemeinschaft von einem Jahr zum nächsten kaum.

Ökologen bezeichnen dies als funktionelle Redundanz: Viele nicht eng verwandte Mikroben besitzen Gene für dieselbe chemische Aufgabe, sodass diese weiter ausgeführt wird, auch wenn die jeweilige Art verschwindet.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Stabilität eines Ökosystems nicht zwingend davon abhängt, Jahr für Jahr dieselben Mikrobenarten zu erhalten“, sagte Zhang.

Er ergänzte, dass metabolisch vielseitige Schlüssel-Mikroorganismen dazu beitragen könnten, kritische Funktionen auch bei veränderten Bedingungen aufrechtzuerhalten.

Das Konzept ist in mikrobiellen Ökosystemen gut belegt: Einer stabilen Reihe von Funktionen steht häufig eine sich fortlaufend wandelnde Zusammensetzung von Organismen gegenüber, wie eine einflussreiche Übersicht darlegte.

Dass sich dies über drei Jahre in einem einzelnen tiefen Reservoir beobachten lässt, liefert für das Konzept einen konkreten Langzeittest.

Vernetzende Mikroben im Xiaowan-Reservoir

Aus der gemischten DNA rekonstruierte das Team die Genome von 671 einzelnen Mikroben, die 17 großen Ästen des bakteriellen Stammbaums angehörten.

Eine Netzwerkanalyse, die untersuchte, wie diese Mikroben gemeinsam zu- und abnahmen, identifizierte anschließend 46 von ihnen als Schlüssel-Mikroben – als verbindende Elemente zwischen sonst getrennten Teilen der Gemeinschaft.

Die 46 zeichneten sich durch ihre große Bandbreite aus. Ihre Genome enthielten Anleitungen für chemische Aufgaben in den Kohlenstoff-, Stickstoff-, Schwefel- und Eisenkreisläufen.

Ein einzelner Mikroorganismus konnte abhängig von den Bedingungen zwischen verschiedenen Reaktionen wechseln. Diese Flexibilität könnte erklären, weshalb sie aktiv bleiben, während andere Populationen kommen und gehen.

Unter ihnen fiel besonders die Schwefelverarbeitung auf. Ein rekonstruiertes Genom erwies sich als außergewöhnlich vielseitig und besaß die vollständige genetische Ausstattung, um Schwefelverbindungen zu oxidieren und zugleich Wasserstoff zu nutzen.

Eine ähnliche schwefelgetriebene Chemie wurde in anderen geschichteten Reservoirs als wichtiger Motor der Stickstoffentfernung erkannt.

Signale aus dem Einzugsgebiet

Zwei Fähigkeiten nahmen in jedem Jahr zu. Der Anteil der Mikroben, die Harnstoff abbauen können, stieg zwischen 2017 und 2019 von ungefähr einem Fünftel der Gemeinschaft auf nahezu ein Drittel.

Gleichzeitig erhöhte sich die Fähigkeit zur Schwefeloxidation noch schneller – von etwa einem Fünftel auf deutlich mehr als die Hälfte. Beide Entwicklungen lassen sich auf das Land rund um das Reservoir zurückführen.

Nahe gelegene Landwirtschaftsbetriebe und Fischteiche leiten harnstoffbasierte Düngemittel sowie organische Schwefelverbindungen flussabwärts. Mikroben, die diese Stoffe verwerten können, haben vermutlich einen Vorteil, sodass sich die Gemeinschaft allmählich zu ihren Gunsten verschiebt.

Die zunehmende Nutzung von Harnstoff betrifft nicht nur die Mikroben selbst. Harnstoff ernährt Algen ebenso leicht wie Bakterien.

Eine aktuelle Studie zeigte, dass seine Zugabe zu landwirtschaftlich geprägten Reservoirs die sommerliche Algenmenge verdreifachte – eine Zunahme, die Trinkwasser beeinträchtigen und den Sauerstoff in tieferen Wasserschichten verringern kann.

Unter allen Faktoren, die das Team untersuchte, erklärte einer am besten, wo die Schlüssel-Mikroben auftraten.

Gelöster organischer Kohlenstoff erwies sich als stärkster Prädiktor für das Vorkommen der Schlüssel-Mikroben und erklärte rund 14 Prozent der Variation – mehr als Temperatur, Sauerstoff oder irgendein Nährstoff.

Was Stabilität erfordert

Drei Jahre genomischer Daten beschreiben ein Reservoir, dessen mikrobielle Zusammensetzung sich fortwährend und gerichtet wandelt, während sein chemischer Output stabil bleibt.

Ein vielseitiger Kern aus verbindenden Mikroben hält die wesentlichen Reaktionen in Gang.

Die Kohlenstoffversorgung erklärt am besten, wo sich dieser Kern ansiedelt, während die zunehmende Nutzung von Harnstoff und Schwefel die Nährstoffe widerspiegelt, die von den flussaufwärts gelegenen Betrieben eingetragen werden.

Für Menschen, die Reservoirs verwalten, lautet die Lehre, nicht nur darauf zu achten, welche Mikroben vorkommen, sondern auch darauf, was sie leisten können.

Eine Artenliste kann sich stark verändern, während das Wasser gesund bleibt. Die Beobachtung von Funktionen und Kohlenstoff könnte Sauerstoffverluste oder Algenblüten daher früher anzeigen als eine reine Erfassung der Arten.

Bedeutung der Forschung

„Zu verstehen, was wichtige mikrobielle Gruppen leisten können, kann ein klareres Bild davon vermitteln, wie Reservoirs auf langfristige Umweltvariabilität reagieren“, sagte Jun Liu, der andere korrespondierende Co-Autor der Studie.

Diese Unterscheidung gewinnt an Bedeutung, da Klima und Landnutzung diese Systeme fortlaufend in neue Bedingungen verschieben.

Das untersuchte Reservoir gehört zu Tausenden weltweit, die Wasser speichern und Energie erzeugen, während sie im Hintergrund die Elemente umsetzen, die sie bewohnbar halten.

Das Wissen, dass eine kleine, anpassungsfähige Gruppe von Mikroben diese Arbeit trägt, gibt Verantwortlichen ein präziseres Ziel für die Überwachung sich verändernder Bedingungen.