Versalzung von Süßwasser verändert ganze Ökosysteme: Forscher entdecken überraschenden Effekt

Die Versalzung von Süßwasser gehört zu den weniger sichtbaren Folgen des Klimawandels. Steigende Meeresspiegel können Salzwasser weiter in Flussmündungen und küstennahe Gewässer drücken. Auch veränderte Niederschläge und Eingriffe in die Landschaft beeinflussen den Salzgehalt. Für die dort lebenden Mikroorganismen hat das Folgen. Sie bauen organisches Material ab, prägen den Kohlenstoffkreislauf und tragen dazu bei, dass aquatische Ökosysteme funktionieren. Eine neue Studie zeigt nun, dass solche Gemeinschaften auch bei zunehmendem Salzstress erstaunlich lange weiterwachsen können – allerdings auf Kosten ihrer Vielfalt.

Ein Forschungsteam vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat untersucht, wie Bakteriengemeinschaften auf steigende Salzkonzentrationen reagieren. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature Microbiology. Dabei stießen die Forscher auf einen Widerspruch: Einzelne Bakterien wuchsen unter stärkerem Salzstress langsamer, die Gemeinschaft als Ganzes hielt ihre Wachstumsleistung jedoch weitgehend aufrecht. Möglich wurde das durch einen Wechsel innerhalb der Gemeinschaft. Schnell wachsende Arten breiteten sich stärker aus, während andere an Bedeutung verloren.

Versalzung von Süßwasser verändert die Artenzusammensetzung deutlich

Für die Untersuchung sammelte das Team mikrobielle Gemeinschaften aus verschiedenen Gewässern rund um Boston. Das Wasser des Charles River enthielt am Probenort rund vier Gramm Salz pro Liter. Im Boston Harbor waren es etwa 30 Gramm, im Meer bei Nahant rund 35 Gramm pro Liter. Anschließend kultivierten die Wissenschaftler die Mikroorganismen im Labor bei unterschiedlichen Salzkonzentrationen. Die Versuche liefen über sieben Zyklen von jeweils 48 Stunden.

Je salziger die Umgebung wurde, desto geringer fielen Artenreichtum und mikrobielle Vielfalt aus. Die Biomasse der gesamten Gemeinschaft veränderte sich dagegen kaum. „Bei höherem Salzgehalt verliert man Vielfalt, was für ein Ökosystem letztlich nicht gut ist“, sagt Studienautorin Jana S. Huisman. „Überrascht hat uns aber, dass trotz sinkender Vielfalt das Wachstum der Gemeinschaft und die Produktion von Biomasse kaum beeinträchtigt wurden.“

Schnell wachsende Bakterien setzen sich unter Salzstress stärker durch

Um die Ursachen dafür zu verstehen, isolierte das Team 140 Bakterienstämme. Sie gehörten zu mehr als 60 Arten, verteilt auf 31 Gattungen und 17 Familien. Bei 85 ausgewählten Isolaten testeten die Forscher anschließend, wie sich Salzkonzentrationen zwischen null und 100 Gramm pro Liter auf das Wachstum auswirkten. Die meisten Bakterien erreichten ihr stärkstes Wachstum bei Werten zwischen null und 35 Gramm pro Liter. Stieg der Salzgehalt über das jeweilige Optimum, nahm ihre Wachstumsrate ab.

Auffällig war die Gemeinschaft aus dem Charles River. Viele einzelne Bakterien wuchsen bereits oberhalb von etwa fünf Gramm Salz pro Liter langsamer. Die durchschnittliche Wachstumsrate der gesamten Gemeinschaft sank jedoch nicht entsprechend. Bei höheren Salzkonzentrationen nahm sie teilweise sogar zu. Schnell wachsende Arten gewannen zunehmend Anteile, während langsamere Konkurrenten zurückgedrängt wurden.

Bei Versalzung von Süßwasser können sich Gewinner rasch abwechseln

Zusätzliche Konkurrenzversuche bestätigten dieses Muster. Die Forscher ließen acht verschiedene Bakterienpaare bei Salzkonzentrationen von 16, 31, 46 und 61 Gramm pro Liter gegeneinander antreten. In allen acht Versuchen verschob sich der Vorteil bei stärkerem Salzstress zugunsten der jeweils schneller wachsenden Art.

Bei einem Bakterienpaar blieb die Wachstumsleistung der Gemeinschaft über einen Salzbereich von rund 30 Gramm pro Liter nahezu konstant, obwohl sich die Wachstumsrate eines beteiligten Stammes beinahe halbierte. Bei einem anderen Paar änderte sich sogar die Rangordnung der Konkurrenten: Bei 16 und 31 Gramm Salz pro Liter setzte sich zunächst die langsamere Art durch. Bei 46 und 61 Gramm übernahm die schneller wachsende Art.

Das sind die wichtigsten Beobachtungen aus der Untersuchung:

Höherer Salzgehalt verringerte die mikrobielle Vielfalt.
Die produzierte Biomasse blieb dennoch weitgehend stabil.
Schnell wachsende Arten wurden mit zunehmendem Salzstress häufiger.
Die durchschnittliche Wachstumsrate der Gemeinschaft sank deutlich weniger als die vieler einzelner Arten.

Natürliche Gewässer liefern ein ähnliches Muster

Das Team verglich die Laborergebnisse außerdem mit sechs bereits vorhandenen Datensätzen aus natürlichen Gewässern. Dazu gehörten unter anderem die Ostsee, die Chesapeake Bay, die Küste Louisianas und Lagunen an der Beaufortsee. Die Salzgehalte reichten je nach Gebiet von nahezu null bis zu mehr als 40 Gramm pro Liter.

Auch dort fanden die Wissenschaftler bei höherem Salzgehalt häufiger Bakterien mit genetischen Merkmalen, die auf ein hohes Wachstumspotenzial hindeuten. Der Zusammenhang blieb auch dann erkennbar, wenn Faktoren wie Temperatur oder Nährstoffgehalt berücksichtigt wurden. Die natürlichen Daten liefern damit zusätzliche Hinweise darauf, dass Salzstress die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften in Richtung schnell wachsender Arten verschieben kann.

Weniger Vielfalt könnte wichtige Funktionen schwächen

Eine stabile Wachstumsrate und eine hohe Biomasse sagen allerdings wenig darüber aus, ob sämtliche Funktionen einer Gemeinschaft erhalten bleiben. Manche Aufgaben hängen von bestimmten Gruppen von Mikroorganismen ab. Gehen diese zurück, könnten Prozesse wie die Umwandlung von Stickstoff oder der mikrobielle Abbau von Schadstoffen beeinträchtigt werden.

Auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber späteren Belastungen könnte leiden. Eine vielfältige Gemeinschaft verfügt über viele unterschiedliche biologische Eigenschaften. Schrumpft diese Vielfalt, stehen bei neuen Umweltveränderungen weniger Arten zur Verfügung, die mit den veränderten Bedingungen zurechtkommen.

Noch wissen die Forscher nicht, welche Mikroben unter steigenden Salzkonzentrationen langfristig zu den Gewinnern gehören. Unter ihnen könnten Arten mit nützlichen Funktionen sein, aber auch problematische oder krankheitserregende Bakterien. Huisman will deshalb künftig untersuchen, welche Organismen sich unter Salzstress durchsetzen und welche Aufgaben sie im jeweiligen Ökosystem übernehmen.

Kurz zusammengefasst:

Steigt der Salzgehalt in Süßwasser, nimmt die Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften ab, während sich schnell wachsende Bakterien stärker durchsetzen.
Die gesamte Gemeinschaft kann ihre Wachstumsleistung und Biomasse trotzdem weitgehend erhalten, obwohl einzelne Arten unter dem Salzstress langsamer wachsen.
Weniger Vielfalt kann die Widerstandskraft eines Ökosystems schwächen und wichtige mikrobielle Funktionen wie Stoffabbau oder Stickstoffumwandlung beeinträchtigen.

Übrigens: Der Meeresspiegelanstieg sorgt nicht nur dafür, dass Süßwasser zunehmend versalzt – schon wenige zusätzliche Zentimeter können auch normale Stürme deutlich teurer machen. Mehr dazu in unserem Artikel.