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Wenn Bakterien mit den Steinen

Auch tief unter der Erde gibt es Leben: Mikroorganismen haben dort gemeinsam mit ihren bevorzugten Mineralen vielfältige Lebensräume entwickelt. Geomikrobiologen erforschen dieses wechselseitige Zusammenspiel, das sich anders als gedacht als sehr heterogen entpuppt.

Von Dagmar Röhrlich | 03.07.2013
    Ob hoch in den Wolken oder Tausende von Metern tief in der Erde: Bakterien gibt es überall. Während jedoch Kuhdärme oder Kläranlagen als Lebensräume erst spät in der bakteriellen Evolutionsgeschichte dazu gekommen sind, sind Minerale so etwa wie ihre Kinderstube, erklärt Phil Bennett von der University of Texas in Austin:

    "Seit es Bakterien auf der Erde gibt, herrscht zwischen beiden eine enge Beziehung: Minerale und Bakterien haben sich anscheinend gemeinsam entwickelt, und die Bakterien sind an die Minerale, die sie als Nahrungsquelle oder Lebensraum nutzen, angepasst."
    Dabei reagiert die unterirdische Mikrobenwelt auf geringste Veränderungen: So wachsen auf den verschiedenen Mineralen eines vulkanischen Basalts auf engstem Raum sehr unterschiedlich zusammengesetzte Biofilme. Mit Laborexperimenten entschlüsselt Phil Bennett die Spielregeln dieses Zusammenlebens:

    "Wir haben eine gemischte Bakterienkultur auf eine ebenso gemischte Ansammlung von Mineralen ausgebracht und geschaut, was passiert. Am Ende lebte auf jedem Mineral eine typische Gemeinschaft, die sich von der auf den anderen Mineralen in Zusammensetzung und Vielfalt unterschied und manchmal sehr stark unterschied."

    Unter anderem bestimmt der Stoffwechsel der Mikroorganismen ihre Vorliebe für das eine oder andere Mineral:

    "Manche Bakterien bevorzugen einen neutralen pH-Bereich. Weil sie durch ihren Stoffwechsel Säuren erzeugen, fühlen sie sich auf Kalkmineralen besonders wohl, denn die neutralisieren diese Säuren. Andere Bakterien reagieren eher auf die Nährstoffe in den Mineralen. Im Untergrund ist vor allem Phosphat Mangelware, sodass sie von phosphathaltigen Mineralen angezogen werden."
    Beispielsweise von manchen Feldspaten. Die enthalten jedoch nicht nur den begehrten Phosphor, sondern auch das für Bakterien giftige Aluminium. Wer Feldspatminerale als Nährstoffquelle nutzen will, muss mit dem Gift umgehen können, sagt Bennett:

    "Wir haben ein Bakterium untersucht, dass den Phosphor für sich herauszieht und das ebenfalls gelöste Aluminium unschädlich macht, in dem es Aluminium zusammen mit Silizium als festes Tonmineral abscheidet. Auf seiner Oberfläche wachsen Tonminerale, die aussehen wie Haare."

    Weitere Experimente zeigen, dass die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften eines Minerals ebenso von solchen und ähnlichen Fähigkeiten seiner "Bewohner" abhängt, wie von seinen spezifischen Eigenschaften:

    "Quarz bietet keine den Bakterien keine Nährstoffe, aber trotzdem wachsen auf ihm dicke Biofilme. Er wird von Bakterien bevorzugt, die es sauer lieben, denn er kann Säuren kaum abpuffern. Minerale, die nur Schadstoffe enthalten, werden ignoriert. Wenn jedoch die Minerale den Bakterien etwas bieten, findet ein regelrechter Wettkampf statt. Das durchsetzungsfähigste Bakterium gewinnt."

    Auf den Mineralen können sich regelrechte Allianzen bilden, bei der die Mitglieder einer Gemeinschaft voneinander profitieren. Phil Bennet:

    "Auf jeder Mineraloberfläche werden bestimmte Mikroorganismen ausgeschlossen und andere angezogen. Stabile Allianzen entstehen, um wertvolle Produkte auszutauschen. Der Wasserstoff etwa, der bei dem einen als Abfallprodukt entsteht, ist Nahrung für einen anderen. Einmal etabliert hindern die Allianzen andere an der Besiedlung ihres Minerals. Wer nicht mit ihnen klarkommt, muss sich anderswo niederlassen und mit anderen Bakterien eine neue Allianz bilden."

    Diese heterogenen Mikrobengemeinschaften, die durch das komplexe Wechselspiel aus Biologie und Mineralogie entstehen, spielen dann bei vielen Stoffprozessen im Untergrund eine zentrale Rolle: etwa bei der Verwitterung der Minerale, der Grundwasserchemie oder beim Abbau von Schadstoffen. Das ist Gegenstand weiterer Forschungen.