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.
