Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben im Rahmen des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ eine bedeutende Entdeckung hinsichtlich der Rolle von Viren im Grundwasser gemacht. Diese unsichtbaren Akteure, die in der Regel wenig Beachtung finden, sind für die Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaften in diesem wertvollen Ökosystem von entscheidender Bedeutung. Grundwasser stellt den größten Vorrat an Süßwasser auf der Erde dar und bietet Lebensraum für eine Vielzahl komplexer mikrobieller Gemeinschaften, die für essentielle biogeochemische Kreisläufe verantwortlich sind.
Bisher war die Funktion von Viren, die Mikroorganismen im Grundwasser befallen, weitgehend unerforscht. Das internationale Forschungsteam, zu dem auch Dr. Akbar Adjie Pratama und Prof. Dr. Kirsten Küsel von der Universität Jena sowie Prof. Dr. Matthew B. Sullivan von der Ohio State University gehören, hat nun ein umfassendes Bild der viralen Vielfalt und ihrer Funktionen in einem spezifischen Grundwassersystem erstellt. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
In einer umfassenden Analyse von umweltgenomischen Daten aus sieben Grundwasserbrunnen im Hainich Critical Zone Exploratory in Thüringen entdeckten die Forschenden mehr als 257.000 virale taxonomische Einheiten. Erstaunlicherweise waren fast alle dieser Viren bislang unbekannt. Dies zeigt, wie wenig wir über die virale Biodiversität in unseren Grundwasserressourcen wissen. Besonders bemerkenswert ist, dass viele dieser identifizierten Viren sogenannte Auxiliary Metabolic Genes (AMGs) tragen. Diese Gene ermöglichen es den Viren, den Stoffwechsel ihrer Wirte zu beeinflussen, was direkte Auswirkungen auf die biogeochemischen Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel hat – alles Prozesse, die für das Funktionieren von Ökosystemen entscheidend sind.
Dr. Akbar Adjie Pratama, der Erstautor der Studie, erläutert die Relevanz dieser Entdeckung: „Die Identifikation und funktionelle Vielfalt viraler AMGs ist entscheidend für unser Verständnis, wie Viren die Dynamik mikrobieller Gemeinschaften und die Nährstoffkreisläufe im Grundwasser beeinflussen können.“ Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass Viren in der Lage sind, den Stoffwechsel ihrer mikrobiellen Wirte zu steuern und somit eine zentrale Rolle im Grundwasser-Mikrobiom spielen.
Die Daten aus der Studie zeigen zudem, dass Viren nicht isoliert wirken, sondern in komplexe Netzwerke innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaften eingebunden sind. Diese Erkenntnis ist besonders wichtig, da sie darauf hinweist, dass Viren nicht nur einzelne Mikroben beeinflussen, sondern möglicherweise auch in Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten von Mikroben verwickelt sind. Dies steht im Kontrast zu der weit verbreiteten Annahme, dass Viren in der Regel nur einen einzigen Wirt befallen. Vielmehr könnten sie in einem komplexen Zusammenspiel agieren, das als eine Art „ménage à trois“ beschrieben werden kann, bei dem mehrere Organismen von der Infektion betroffen sind.
Diese neuen Perspektiven erweitern unser Wissen über die Interaktionen im Grundwasser-Mikrobiom und verdeutlichen, wie eng diese Lebensgemeinschaften miteinander verbunden sind. Die Studie liefert nicht nur wichtige Erkenntnisse, sondern stellt auch eine Grundlage für zukünftige Forschung dar, die gezielte Experimente zur Untersuchung der Rolle von Viren in solchen Ökosystemen anregen könnte.
Prof. Dr. Matthew B. Sullivan, Koautor der Studie, betont die Wichtigkeit dieser Ergebnisse für das Verständnis von Grundwasserökosystemen: „Es ist entscheidend zu verstehen, wie Viren in diesen Systemen wirken, um vorhersagen zu können, wie diese Ökosysteme auf Umweltveränderungen reagieren werden.“ Prof. Dr. Kirsten Küsel fügt hinzu, dass die Ergebnisse zeigen, dass Viren keine passiven Schädlinge sind, sondern aktive Akteure, die das Mikrobiom des Grundwassers erheblich beeinflussen.
Die Implikationen dieser Forschung sind nicht nur akademischer Natur, sondern auch von praktischer Relevanz. Ein besseres Verständnis der Rolle von Viren in Nährstoffkreisläufen könnte dazu beitragen, Modelle zu entwickeln, die vorhersagen, wie Grundwassersysteme auf Klimaveränderungen, sinkende Wasserstände oder Nährstoffeinträge reagieren. Darüber hinaus eröffnen die Erkenntnisse über die AMGs neue Möglichkeiten für biotechnologische Anwendungen und für das Management von Wasserressourcen.
Insgesamt zeigt diese Studie, dass das Grundwasser weit mehr ist als nur ein passiver Speicher –
