Gletscherschmelze bedroht einzigartige mikrobielle Ökosysteme

Der Klimawandel lässt die Gletscher der Welt in alarmierendem Tempo schwinden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen und modellieren diesen Prozess seit Jahren, aber bisher hat keine Forschungsgruppe speziell untersucht, wie sich die Gletscherschmelze auf von Gletschern gespeiste Flüsse und ihre Ökosysteme auswirken wird. Eine Studie, die im Rahmen des von der EPFL geleiteten Projekts «Vanishing Glaciers» durchgeführt wurde, ist kürzlich in Nature Communications veröffentlicht worden. Sie erstellt die ersten Prognosen darüber, wie diese Bäche und ihre Mikrobiome bis zum Ende des Jahrhunderts unter verschiedenen Szenarien des Klimawandels aussehen könnten.

Wichtige Quellen für die wichtigsten Flüsse der Welt

«Von Gletschern gespeiste Flüsse sind die Quellen einiger der grössten Flusssysteme der Welt und versorgen Milliarden von Menschen mit lebenswichtigem Wasser», sagt Hannes Peter, Wissenschaftler am Labor für Flussökosysteme (RIVER) der EPFL und Mitautor der Studie: «In der Schweiz zum Beispiel entspringen fast alle grossen Flüsse wie die Rhone, der Inn und die Etsch aus von Gletschern gespeisten Flüssen. Die Veränderungen, die in großen Höhen stattfinden, haben also direkte Auswirkungen auf alles, was flussabwärts passiert. Deshalb ist es so wichtig zu verstehen, wie sich das Abschmelzen der Gletscher auf diese Flüsse und ihre einzigartigen mikrobiellen Ökosysteme auswirken wird.

Analyse von Tausenden von Bakterien

«In unserer Studie haben wir die genetischen Daten von 2.333 verschiedenen Bakterienarten rekonstruiert und analysiert, die wir aus Proben von 164 gletschergespeisten Bächen in allen wichtigen Gebirgsregionen der Welt entnommen haben», sagt Massimo Bourquin, der Hauptautor der Studie. Bourquin ist ein ehemaliger Doktorand am RIVER und arbeitet heute als technischer Experte am Labor für Mikrobiom-Anpassung an die sich verändernde Umwelt der EPFL: «Dann haben wir diese Informationen mit Daten über das Klima, die Gletscher und die Umwelt kombiniert, um Vorhersagemodelle zu entwickeln, die zeigen, wie verschiedene Bakteriengruppen wahrscheinlich auf Schwankungen in bestimmten Variablen reagieren würden.

«Unsere Methode bestand nicht nur darin, Bakterien isoliert zu analysieren», sagt Bourquin, «wir untersuchten auch wichtige Merkmale des Mikrobioms wie die Vielfalt und die Verteilung zwischen dominanten und seltenen Arten. All dies gab uns ein umfassenderes Bild davon, wie sich der Klimawandel unter verschiedenen Szenarien auf diese Ökosysteme und ihr Mikrobiom auswirken könnte.»

Grünere, von Gletschern gespeiste Bäche

Die Studie sagt voraus, dass von Gletschern gespeiste Bäche im wahrsten Sinne des Wortes grüner werden: «Die Bedingungen in diesen Bächen sind derzeit so extrem, dass viele Mikroorganismen, die typischerweise in alpinen Bächen vorkommen, und insbesondere Algen, dort nicht leben können», sagt Bourquin. Diese extremen Bedingungen bestehen aus sehr niedrigen Temperaturen, großen Schwankungen der Wasserdurchflussmenge, einer hohen Konzentration von Feinsedimenten, die das Wasser trüben und die Lichtdurchlässigkeit verringern, sowie aus Nährstoffmangel und geringer Sauerstoffzufuhr.

«Diese Kombination von Faktoren hat ein spezielles Mikrobiom hervorgebracht, das an diese besonderen Bedingungen angepasst ist», sagt Bourquin, «aber wenn diese Bäche ihre gletscherspezifischen Eigenschaften verlieren, wird sich das Mikrobiom so entwickeln, dass es dem anderer Alpenbäche ähnlicher wird. Infolgedessen werden sich die Algen vermehren, was zu mehr Photosynthese, einer höheren Konzentration organischer Stoffe, die für Mikroorganismen verfügbar sind, und schliesslich zu einer Vermehrung sowohl der Algen als auch der Bakterien führt.

Eine unsichtbare mikrobielle Ressource, die jetzt bedroht ist

Diese Veränderungen bedeuten, dass Bakteriengruppen, die speziell an die Bedingungen in von Gletschern gespeisten Bächen angepasst sind, verschwinden werden, was erhebliche Auswirkungen auf die Ökosysteme in diesen Bächen und weiter unten in der Kette hat.

«Es ist wahrscheinlich, dass einige der Bakterien, die auf das Überleben unter eisigen Bedingungen spezialisiert sind, in grüneren Lebensräumen nicht mehr überleben können, so dass Arten, die besser an die neuen Bedingungen angepasst sind, die Oberhand gewinnen», sagt Bourquin.

«Wenn Gletscher schmelzen, verschwindet nicht nur das Wasser», sagt Tom Battin, Professor für Umweltwissenschaften, Leiter von RIVER und Mitautor der Studie, «wir verlieren auch ein einzigartiges Mikrobiom. Diese Mikroorganismen sind zwar mit bloßem Auge nicht zu erkennen, spielen aber eine entscheidende Rolle in ihren Ökosystemen: Sie reinigen das Wasser, recyceln Nährstoffe und regulieren wichtige Kreisläufe wie den von Stickstoff und Kohlenstoff. Letztendlich stützen sie die Nahrungskette und sind für viele ökologische Gleichgewichte entscheidend.

Obwohl die in der Studie untersuchten, von Gletschern gespeisten Bäche in vielen verschiedenen Weltregionen liegen, unterschieden sich ihre Eigenschaften nur wenig: «Was in unserer Studie besonders auffiel, war, dass die Mikrobiome aller untersuchten Bäche einander sehr ähnlich waren», sagt Bourquin: «Das liegt an den extremen Bedingungen, die für Gletscher typisch sind, und es zeigt, wie wichtig diese Eigenschaften für mikrobielle Ökosysteme sind. Wenn wir diese unersetzlichen Lebensräume nicht verlieren wollen, wenn die Gletscher schmelzen, müssen wir sie schützen."