Untersuchung mikrobieller Vielfalt mittels größenfraktionierter Anreicherungsinkubationen aus unterirdischen Aquiferen in Äspö, Schweden

Verborgenes Leben tief unter unseren Füßen

Weit unter den Wäldern und Küsten Schwedens, in kalten, dunklen Klüften uralten Gesteins, überdauern riesige Mikroben-Gemeinschaften still und leise von einem winzigen Energiestrom. Diese winzigen Organismen treiben globale Kohlenstoff‑ und Schwefelkreisläufe mit, doch viele von ihnen sind so klein und so auf Nachbarn angewiesen, dass sie Jahrzehnte lang der Forschung entgingen. Diese Studie blickt in jene unterirdische Welt und zeigt ein überraschend reiches „mikrobielles Dunkel“, bestehend aus ultrakleinen Zellen, die offenbar durch enge Assoziationen mit anderen Mikroben überleben, statt durch schnelles Wachstum an frischer Nahrung.

Tiefunterirdisches Wasser als verborgener Lebensraum

Die Forschenden arbeiteten im Äspö Hard Rock Laboratory an der schwedischen Ostseeküste, wo Tunnel Hunderte Meter unter der Oberfläche durch uraniales Granit schneiden. Dort bewegt sich Grundwasser langsam durch enge Risse im Gestein. Ein Teil dieses Wassers ist relativ jung und von Regen und Boden beeinflusst; ein anderer gleicht verdünntem Meerwasser; und ein dritter ist sehr alt und salzig, lange vom Oberflächenkontakt abgeschnitten. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass diese Wässer vielfältige mikrobielle Gemeinschaften beherbergen, einschließlich vieler ungewöhnlicher Linien mit extrem kleinen Zellen und Genomen.

Fokus auf die kleinsten Zellen

Um diese schwer fassbaren Mikroben zu untersuchen, sammelte das Team anoxisches Grundwasser aus drei unterschiedlichen Tiefen und Chemien — meteoritisch (bodenbeeinflusst), marin und salin. Im Labor richteten sie anaerobe Inkubationen ein und ergänzten sie entweder mit einer einfachen Kohlenstoffquelle (Acetat) oder mit einem komplexen Gemisch aus aufgebrochenen Bakterienzellen. Entscheidenderweise filtrierten sie für viele Inkubationen das Grundwasser zuerst durch einen Filter, der Zellen größer als 0,45 Mikrometer zurückhielt. Was hindurchging, waren ultrakleine Bakterien und Archaeen, wie Gruppen, die als Patescibacteria, Nanobdellota und Omnitrophota bekannt sind und von denen vermutet wird, dass sie eingeschränkte Stoffwechselmöglichkeiten haben und auf enge Partner oder Wirte angewiesen sind.

Vielfalt ohne Wachstum

Über Wochen bis Monate verfolgten die Wissenschaftler Zellzahlen und Gemeinschaftszusammensetzung mittels DNA‑Sequenzierung und mikroskopischer Zählung. In Inkubationen mit dem unfiltrierten, vollständigen Grundwasser stiegen die Gesamtzellzahlen typischerweise um etwa das Zehnfache, doch die Diversität sank, da nur wenige schnell wachsende Gruppen — etwa Bacillota, Spirochaetota oder Desulfobacterota — dominierten. Ganz anders zeigten die größenfraktionierten Inkubationen, die nur ultrakleine Zellen enthielten: Dort gab es kaum einen Anstieg der Zellzahlen, selbst bei Zugabe von zusätzlichem Acetat oder reichhaltigem Zelllysat. Dennoch blieb ihre genetische Vielfalt sehr hoch und entsprach häufig der des ursprünglichen Grundwassers. Das legt nahe, dass ein großer Anteil der unterirdischen Biodiversität in diesen winzigen Formen sitzt, die unter den gegebenen Bedingungen ohne offensichtliches Wachstum persistieren.

Genetische Hinweise auf einen abhängigen Lebensstil

Um zu verstehen, wie diese Mikroben ihren Lebensunterhalt bestreiten, rekonstruierten die Forschenden Dutzende Entwurfs‑Genome aus den Inkubationen. Bakterien mit größeren Genomen, wie Desulfobacterota und einige Pseudomonadota, trugen Gene für ein breites Spektrum metabolischer Fähigkeiten: den Abbau komplexer organischer Substanzen, Atmung mit Sauerstoff oder Sulfat und sogar Kohlenstofffixierung. Im Gegensatz dazu waren die Genome von Patescibacteria und Nanobdellota winzig und reduziert. Ihnen fehlten vollständige Wege für zentrale Kohlenstoffstoffwechselprozesse, und sie wiesen wenige Fähigkeiten für unabhängiges Wachstum auf. Dennoch trugen sie Gene für Zellteilung, Zellwandaufbau, Anhaftungsstrukturen und Transportsysteme. Diese Kombination passt zu einem Lebensstil, in dem sie an andere Mikroben anhaften oder enge Assoziationen eingehen und wichtige Nährstoffe von ihren Partnern abschöpfen, anstatt sie vollständig selbst herzustellen.

Mikrobielle Partnerschaften im Dunkeln

Beim Vergleich vieler Grundwasserproben und Inkubationen untersuchten die Forschenden außerdem, welche mikrobiellen Linien typischerweise gemeinsam auftreten. Sie fanden starke Ko‑Vorkommensmuster zwischen Patescibacteria und mehreren anderen Gruppen, insbesondere Desulfobacterota, Chloroflexota und Omnitrophota. Zwar beweisen diese Muster keine direkten Wirts‑Symbionten‑Beziehungen, doch sie entsprechen der Vorstellung, dass ultrakleine Mikroben sich um metabolisch vielseitige Nachbarn gruppieren, die fehlende Bausteine und Energie liefern können. Solche Partnerschaften könnten eine Schlüsselstrategie zum Überleben im tiefen Untergrund sein, wo Energie knapp ist und Ressourcen langsam und unvorhersehbar eintreffen.

Warum das für das Leben auf der Erde wichtig ist

Insgesamt zeigt die Studie, dass ein großer Teil der mikrobiellen Vielfalt in tiefen, energiearmen Grundwässern aus ultrakleinen Zellen besteht, die in Standardanreicherungsversuchen kaum wachsen und wahrscheinlich auf enge Interaktionen mit anderen Mikroben angewiesen sind. Anstatt bei zusätzlicher Nahrung zu florieren, bleiben diese Linien zahlenmäßig stabil, aber taxonomisch reich — ein Hinweis auf ein langsames, eng gekoppeltes Netzwerk des Lebens, das auf Zeit‑ und Energie‑Skalen operiert, die sich stark von Oberflächenökosystemen unterscheiden. Das Verständnis dieser verborgenen Gemeinschaften verändert nicht nur Schätzungen von Biomasse und Biodiversität der Erde, sondern bietet auch Einblicke, wie Leben unter extremer Knappheit überdauern kann — eine Lektion, die für unterirdische Umgebungen auf anderen Planeten relevant sein könnte.

Zitation: Westmeijer, G., Turner, S., Hevele, P. et al. Exploring microbial diversity using cell-size fractionated enrichment incubations from subsurface aquifers at Äspö, Sweden. Commun Biol 9, 378 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09706-8

Schlüsselwörter: tiefes unterirdisches Grundwasser, ultrakleine Mikroben, mikrobielle Symbiose, Patescibacteria, energiearme Ökosysteme