Onderzoek naar microbiele diversiteit met behulp van celgrootte-gefractioneerde verrijkingsincubaties uit ondergrondse aquifers bij Äspö, Zweden

Verborgen leven diep onder onze voeten

Ver onder de bossen en kusten van Zweden, in koude, donkere breuken van oud gesteente, overleven omvangrijke gemeenschappen microben stilletjes op een zwak stroombedrag van energie. Deze piepkleine organismen helpen de wereldwijde koolstof- en zwavelcycli aansturen, maar veel van hen zijn zo klein en zo afhankelijk van buren dat ze decennialang aan wetenschappers ontglipt zijn. Deze studie kijkt in die ondergrondse wereld en onthult een verrassend rijke “microbiële donkere materie” die bestaat uit ultrakleine cellen die lijken te overleven door nauw samen te leven met andere microben in plaats van door snel te groeien op verse voedingsstoffen.

Diep ondergronds water als verborgen habitat

De onderzoekers werkten in het Äspö Hard Rock Laboratory aan de Baltische kust van Zweden, waar tunnels door oud graniet lopen, honderden meters onder het oppervlak. Daar beweegt grondwater langzaam door smalle scheuren in het gesteente. Een deel van dat water is relatief jong en beïnvloed door regen en bodem; een ander deel lijkt verdund zeewater; en weer ander water is zeer oud en zout, lange tijd van het oppervlak afgesloten. Eerder werk had aangetoond dat deze wateren diverse microbiële gemeenschappen herbergen, waaronder veel ongebruikelijke lijnen met extreem kleine cellen en genomen.

Focus op de kleinste cellen

Om deze lastige microben te bestuderen, verzamelde het team anoxisch grondwater uit drie verschillende dieptes en chemische samenstellingen—meteoor (bodem-beïnvloed), marien en saline. Ze zetten vervolgens anaërobe incubaties op in het laboratorium en voegden ofwel een eenvoudige koolstofbron (azijnzuur) toe of een complexe mix gemaakt van kapotte bacteriecellen. Cruciaal was dat ze voor veel incubaties het grondwater eerst door een filter lieten lopen dat cellen groter dan 0,45 micrometer verwijderde. Wat doorglipte waren ultrakleine bacteriën en archaea, zoals groepen die bekendstaan als Patescibacteria, Nanobdellota en Omnitrophota, waarvan wordt vermoed dat ze beperkte metabole mogelijkheden hebben en afhankelijk zijn van nauwe partners of gastheren.

Diversiteit zonder groei

Gedurende weken tot maanden volgden de wetenschappers cel aantallen en gemeenschapsamenstelling met DNA‑sequencing en microscopische tellingen. In incubaties met het volledige, ongefilterde grondwater steeg het totale cel aantal doorgaans met ongeveer tien keer, maar daalde de diversiteit doordat slechts enkele snelgroeiende groepen—zoals Bacillota, Spirochaetota of Desulfobacterota—dominant werden. In sterk contrast lieten de grootte-gefractioneerde incubaties, die alleen ultrakleine cellen bevatten, bijna geen toename in cel aantallen zien, zelfs niet wanneer extra azijnzuur of rijk cellysaat werd toegevoegd. Toch bleef hun genetische diversiteit zeer hoog, vaak vergelijkbaar met die van het oorspronkelijke grondwater. Dit suggereert dat een groot deel van de ondergrondse biodiversiteit bestaat uit deze kleine vormen die onder de gegeven omstandigheden voortbestaan zonder duidelijke groei.

Genetische aanwijzingen voor een afhankelijke levenswijze

Om te begrijpen hoe deze microben hun bestaan onderhouden, reconstrueerde het team tientallen conceptgenomen uit de incubaties. Bacteriën met grotere genomen, zoals Desulfobacterota en sommige Pseudomonadota, droegen genen voor een breed scala aan metabole mogelijkheden: het afbreken van complex organisch materiaal, ademhaling met zuurstof of sulfaat en zelfs CO2‑assimilatie. Daarentegen waren genomen van Patescibacteria en Nanobdellota klein en uitgekleed. Ze misten volledige routes voor centrale koolstofmetabolismen en lieten weinig mogelijkheden voor zelfstandig groeien zien, maar droegen wel genen voor celdeling, celwandopbouw, hechtingsstructuren en transportsystemen. Deze combinatie komt overeen met een levenswijze waarbij ze zich vastklampen aan of nauw associëren met andere microben en belangrijke voedingsstoffen van hun partners wegplukken in plaats van die volledig zelf te produceren.

Microbiële partnerschappen in het donker

Kijkend over veel grondwatermonsters en incubaties, onderzochten de onderzoekers ook welke microbiële lijnen vaak samen voorkomen. Ze vonden sterke patronen van co‑occurrence tussen Patescibacteria en meerdere andere groepen, vooral Desulfobacterota, Chloroflexota en Omnitrophota. Hoewel deze patronen geen directe gast–symbiontrelaties bewijzen, passen ze bij het idee dat ultrakleine microben zich kunnen clusteren rond metabool veelzijdige buren die ontbrekende bouwstenen en energie kunnen leveren. Dergelijke partnerschappen kunnen een belangrijke overlevingsstrategie zijn in de diepe ondergrond, waar energie schaars is en middelen langzaam en onvoorspelbaar binnenkomen.

Waarom dit belangrijk is voor het leven op aarde

Al met al toont de studie aan dat een groot deel van de microbiële diversiteit in diepe, laag‑energie grondwatersystemen bestaat uit ultrakleine cellen die nauwelijks groeien in standaard verrijkingsexperimenten en waarschijnlijk afhangen van nauwe interacties met andere microben. In plaats van te exploderen wanneer er extra voedsel wordt toegevoegd, blijven deze lijnen numeriek stabiel maar taxonomisch rijk, wat wijst op een traag, nauw verweven web van leven dat opereert op tijdschalen en energiebudgetten die sterk verschillen van die aan het oppervlak. Het begrijpen van deze verborgen gemeenschappen herschrijft niet alleen schattingen van Earth’s biomassa en biodiversiteit, maar biedt ook inzicht in hoe leven kan volharden onder extreme schaarste—een les die mogelijk toepasbaar is op ondergrondse omgevingen van andere planeten.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: diepe ondergrondse grondwater, ultrakleine microben, microbiële symbiose, Patescibacteria, laag-energie ecosystemen