Verkalkende Biofilme im Tunnel von Äspö: Mineralisation tief unter der Erdoberfläche

Dünne Bakterienfilme und ihr Einfluss auf die Gesteinsbildung und -korrosion in Gewässern stehen im Mittelpunkt einer neuen Forschergruppe, die mit Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ihre Arbeit an der Georg-August-Universität aufnehmen wird: Geologen und Mikrobiologen aus Braunschweig, Bremen, Göttingen und Magdeburg werden dabei diese so genannten Biofilme sowohl in Fließgewässern an der Erdoberfläche als auch in Wasseransammlungen unterirdischer Hohlraumsysteme untersuchen. Von den Forschungsarbeiten in sechs interdisziplinär angelegten Projekten, die die DFG über einen Zeitraum von drei Jahren mit 1,9 Millionen Euro finanzieren wird, erwarten die Wissenschaftler neue Einsichten in die Evolution der Geobiosphäre.

Die Koordination der Forschergruppe ?Geobiologie von Organo- und Biofilmen: Kopplung der Geosphäre und Biosphäre über mikrobielle Prozesse“ übernehmen Prof. Dr. Joachim Reitner und Dr. Gernot Arp von der Abteilung Geobiologie am Geowissenschaftlichen Zentrum der Georgia Augusta.

Biofilme – zusammengesetzt aus Bakterienzellen und ihren extrazellulären Schleimsubstanzen sowie vergesellschafteten Algen und Einzellern – überziehen nahezu alle Gestein-Wasser-Grenzflächen und greifen hier in die Element-Kreisläufe der Erde ein. In mineralisierter Form werden sie von der Wissenschaft als ?mikrobielle Gesteine“ bezeichnet; am bekanntesten sind dabei die feingeschichteten Stromatolithen, die insbesondere in der frühen Erdgeschichte riffartige Strukturen ausgebildet haben. ?In welchem Umfang diese mineralisierenden Biofilme die Entwicklung der Geobiosphäre gesteuert haben und heute noch steuern, ist allerdings umstritten“, betont Dr. Arp. Ziel der neuen Forschergruppe ist es, anhand von drei Fallbeispielen die Zusammensetzung von Biofilmen mit Blick auf Biodiversität, Schleimsubstanzen, Mikromilieu und Minerale zu analysieren und ihren Effekt auf Gesteinsbildung und -korrosion zu quantifizieren.

Von besonderem Forschungsinteresse sind dabei verkalkende Biofilme im Tunnel von Äspö (Schweden), einem Labor zur Erforschung von Tiefenprozessen: Hier treten in 500 Meter Tiefe methan- und schwefelwasserstoffhaltige Kluftgewässer aus, die Mikroorganismen der so genannten Tiefen Biosphäre mit sich führen. ?Ihre Mineralisation vollzieht sich im Finstern tief unter der Erdoberfläche und repräsentiert damit einen großen, erst in den letzten Jahren zunehmend beachteten Teil der Biosphäre, die keine Photosynthese und zu einem erheblichen Teil keinen Sauerstoff benötigt“, erläutert Prof. Reitner. Möglicherweise spiegele die Tiefe Biosphäre aber auch ökologische Verhältnisse oberflächennaher biologischer Systeme der frühen Erde wider. Die Untersuchungsobjekte von drei weiteren Projekten liegen in der Region: In Karstwasserbächen – einer davon liegt nur rund 30 Kilometer nördlich von Göttingen – wird der Mikrokosmos aus Kieselalgen, Grünalgen, Cyano- und anderen Bakterien mit Blick auf Milieu, Aufbau und Zersetzung von Schleimsubstanzen analysiert. Diese Substanzen spielen heute wie vor Jahrmilliarden eine entscheidende Rolle bei der mikrobiellen Gesteinsbildung, da sie Mikroorganismen den Aufbau chemischer Ungleichgewichte im direkten Umfeld der Zellen ermöglichen und die Keimkristallbildung der Minerale steuern.

An den Untersuchungen sind neben Forschern des Geowissenschaftlichen Zentrums auch Prof. Dr. Thomas Friedl mit seiner Arbeitsgruppe am Göttinger Zentrum für Biodiversitätsforschung und Ökologie (GZBÖ) beteiligt. Weitere Kooperationspartner sind Dr. Thomas Neu von der Sektion Gewässerforschung (Magdeburg) des UFZ – Umweltforschungszentrums Halle-Leipzig und Prof. Dr. Erko Stackebrandt von der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) in Braunschweig. Ein experimentelles Projekt zur Kalkauflösung durch Biofilme wird die Arbeitsgruppe um Dr. Dirk de Beer am Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen durchführen.