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Erde|Umwelt

Erstaunlich produktives Grundwasser

Probennahme
Wissenschaftler bei der Entnahme von Grundwasserproben. © Friedrich-Schiller Universität Jena

99 Prozent des irdischen Süßwassers liegen unter der Erde – im Grundwasser. Jetzt enthüllt eine Studie, dass die Mikroben in diesen unterirdischen Wasservorkommen überraschend produktiv sind: Obwohl sie in Dauerdunkel leben und ihre Energie aus der chemischen Verwertung von Schwefel oder organischen Resten gewinnen müssen, ist ihre Primärproduktion pro Zelle gerechnet ähnlich hoch wie die von Planktonalgen im Meer, wie die Forscher ermittelt haben. Insgesamt binden allein die Organismen im Grundwasser von Karbonatgesteinen knapp 110 Millionen Tonnen Kohlenstoff, rechnet man die Aquifere aus granitischen Gesteinen hinzu, sind es 260 Millionen Tonnen. Das entspricht 0,25 Prozent der geschätzten globalen Nettoprimärproduktion.

Die Biosphäre unseres Planeten ist hoch produktiv. Vor allem die Mikroalgen in den oberen Wasserschichten der Meere und die Vegetation auf den Landflächen erzeugen durch ihre Photosynthese große Mengen an organischem Material und binden so Kohlenstoff. Im Gegensatz dazu haben die Bewohner der unterirdischen Lebensräume – Organismen im Grundwasser, in Höhlen oder auch im Gestein der tiefen Biosphäre – weit weniger optimale Bedingungen für ihre Energiegewinnung und ihr Wachstum. Ihnen fehlen sowohl das Licht für die Photosynthese als oft auch genügend Sauerstoff und Nährstoffe. Lange dachte man deshalb, dass die Organismen in diesen Lebensräumen bloß passiv überdauern, statt sich aktiv zu vermehren und Biomasse zu produzieren.

Wie produktiv sind die Bewohner des Grundwassers?

Inzwischen weiß die Wissenschaft allerdings mehr über die Bewohner der unterirdischen Habitate. So haben genetische Analysen von Mikroorganismen im Grundwasser gezeigt, dass viele der dort vorkommenden Kleinstlebewesen zur Primärproduktion fähig sind – auch sie können anorganische Ausgangsmaterialien in organische Substanzen umwandeln. In Ermangelung von Licht müssen sie die Energie dafür aus der Oxidation anorganischer Verbindungen gewinnen, etwa aus reduziertem Schwefel des umgebenden Gesteins. Wie groß die Primärproduktion in den flachen und tieferen unterirdischen Zonen der Erde ist, war bisher aber nur in Teilen bekannt. Will Overholt von der Universität Jena und seine Kollegen haben deshalb eine Form der Grundwasser-Ökosysteme exemplarisch auf ihre Primärproduktion hin untersucht: die Aquifere in Karbonatgesteinen. Sie enthalten rund 2,26 Millionen Kubikkilometer Grundwasser – dies entspricht rund zehn Prozent der gesamten irdischen Grundwassermenge.

Für ihre Studie nahmen die Wissenschaftler Wasserproben aus mehreren Tiefbrunnen in Thüringen, die aus fünf bis 90 Meter Tiefe stammten. Einem Teil dieser Proben setzten sie eine winzige Menge radioaktiv markierten Kohlendioxids zu und ließen die im Wasser enthaltenen Mikroben anschließend eine definierte Zeit arbeiten. Anschließend konnten die Forscher mithilfe der hochempfindlichen Beschleuniger-Massenspektrometrie ermitteln, ob und wie viel von dem im CO2 enthaltene Kohlenstoff in organische Verbindungen eingebaut worden war. Parallel dazu untersuchten sie auch die mikrobielle Stickstofffixierung und führten Genanalysen zur Bestimmung der in den Grundwasserproben enthaltenen Organismen durch.

Primärproduktion höher als erwartet

Die Messungen ergaben, dass die im Grundwasser enthaltenen Mikroorganismen – größtenteils Bakterien – im Schnitt rund 0,3 bis 10,8 Billiardstel Gramm Kohlenstoff pro Zelle und Tag aufnehmen und in Form organischer Verbindungen speichern. Damit produzieren diese Bewohner der unterirdischen Gewässer ähnlich viel Biomasse wie die Bakterien in der obersten, produktivsten Wasserschicht der Ozeane. „Die von uns gemessenen Mengen waren damit viel höher als wir erwartet hatten“, sagt Overholt. „Sie entsprechen Kohlenstofffixierungsraten, die in nährstoffarmen marinen Oberflächengewässern gemessen wurden, und sind bis zu sechsmal höher als die, die in den unteren Zonen des sonnenbeschienenen offenen Ozeans beobachtet wurden, wo gerade genug Licht für die Photosynthese vorhanden ist.” Weil im Grundwasser allerdings weniger Nährstoffe zur Verfügung stehen als im Meer und die Organismendichte geringer ist, ist die Primärproduktion in den Aquiferen insgesamt deutlich niedriger als im Ozean.

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Overholt und sein Team ermittelten, dass allein die Aquifere in Karbonatgestein global insgesamt rund 110 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr binden. Rechnet man die Kohlenstoffbindung in den Grundwasserleitern der kristallinen Silikatgesteine hinzu, dann könnte die Nettoprimärproduktion von zwei Dritteln der weltweiten Grundwasserreservoire bei rund 260 Millionen Tonnen Kohlenstoff pro Jahr liegen. Dies würde etwa 0,5 Prozent der Nettoprimärproduktion mariner Systeme und 0,25 Prozent der gesamten globalen Nettoprimärproduktion entsprechen, wie die Wissenschaftler berichten. „Das mag wenig klingen, aber diese Messungen stellen nur eine erste Schätzung des wahren globalen Wertes dar“, sagt Seniorautorin Kirsten Küsel von der Universität Jena. „Da in diesen nährstoffarmen und ständig dunklen Lebensräumen nur sehr wenig Energie zur Verfügung steht, ist selbst ein geringer Anteil an der weltweiten Primärproduktion eine Überraschung.“

Hauptakteure sind noch unbekannte Mikroben

Aus den Genanalysen der Grundwasserproben ging hervor, dass ein Großteil dieser Primärproduktion im Grundwasser durch chemolithoautotrophe Organismen geleistet wird – Mikroben, die ihre Energie aus der chemischen Umwandlung von aus dem Gestein stammenden Rohstoffen gewinnen. Im sauerstoffhaltigen Grundwasser passiert die Kohlenstoffbindung dabei vorwiegend durch die Nitrifikation von Ammoniak, in sauerstoffarmen Aquiferen gewinnen die Mikroben ihre Energie größtenteils durch die Verarbeitung von Schwefel und Wasserstoff. Eine besonders große Rolle spielt dabei offenbar eine Gruppe noch nicht genauer bestimmter Mikroorganismen aus der Ordnung der Nitrospiria. Sie könnten ähnlich wie die Mikroalgen der Meere die Basis der Nahrungsnetze im Grundwasserökosystem bilden, vermutet das Forschungsteam. „Unsere Ergebnisse bieten neue Einblicke in die Funktionsweise dieser unterirdischen Ökosysteme und geben Hinweise darauf, wie Grundwasserquellen überwacht oder saniert werden können”, sagt Küsel.

Quelle: Will Overholt (Friedrich-Schiller-Universität Jena) et al., Nature Geoscience, doi: 10.1038/s41561-022-00968-5

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