Mikroorganismen im Gestein halten unser Grundwasser sauber

Trinkwasser gilt in Deutschland als sicheres Lebensmittel. Doch diese Qualität entsteht nicht erst in Wasserwerken. Ein Großteil der entscheidenden Prozesse läuft tief unter der Erde ab – lange bevor Pumpen, Filter oder Aufbereitungstechnik eingreifen. Dort, im festen Untergrund, wird festgelegt, wie stabil Wasserressourcen über Jahrzehnte bleiben.

Dabei geht es nicht nur um das Wasser selbst. Ebenso wichtig sind die Oberflächen aus Stein, Rissen und Poren. Sie bilden Lebensräume, die lange unterschätzt wurden. Unter unseren Füßen entfalten Mikroorganismen ihre Wirkung: Sie leben verborgen, wachsen langsam und beeinflussen maßgeblich, was später als Grundwasser genutzt wird.

Mikroorganismen prägen das Grundwasser stärker als lange angenommen

Über viele Jahre konzentrierte sich die Forschung vor allem auf frei schwebende Keime im Wasser. Sie lassen sich vergleichsweise leicht beproben und analysieren. Eine aktuelle Untersuchung der Friedrich-Schiller-Universität Jena zeichnet nun ein anderes Bild. Den größten Einfluss haben jene Mikroorganismen, die fest an Gestein gebunden leben. Sie kommen dort nicht nur häufiger vor, sondern dominieren die biologischen Prozesse im Untergrund.

Untersucht wurden Kalkstein-Aquifere im Thüringer Hainich. Die Analyse zeigt zwei klar getrennte mikrobielle Lebensweisen. Entscheidend ist dabei nicht der Sauerstoffgehalt oder die Chemie des Wassers. Ausschlaggebend ist der Ort, an dem die Mikroorganismen leben: frei im Wasser oder fest am Gestein.

„Wenn wir die an Gestein gebundene Gemeinschaft ignorieren, übersehen wir einen wichtigen funktionellen Akteur im Grundwassersystem“, sagt Dr. Martin Taubert, Geomikrobiologe und Arbeitsgruppenleiter im Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“. Sein Team untersuchte das Erbgut hunderter Mikroben aus beiden Lebensräumen.

Doktorandin Alisha Sharma von der Friedrich-Schiller-Universität Jena arbeitet an einem Grundwasserbrunnen mit passiven Probennehmern zur Untersuchung von Mikroorganismen im Gestein. © Beatrix M. Heinze

Biofilme wirken wie Werkstätten im Untergrund

An Gesteinsoberflächen bilden Mikroorganismen sogenannte Biofilme. Dabei handelt es sich um dichte Gemeinschaften, eingebettet in eine schleimige Matrix. Diese Struktur schützt vor Strömung, speichert Nährstoffe und hält Zellen in engem Kontakt. Fast alle untersuchten Gesteinsbewohner verfügen über genetische Programme für solche Verbünde.

In diesen Biofilmen laufen kontinuierlich chemische Reaktionen ab. Die Mikroorganismen nutzen Stoffe aus dem Gestein, etwa Eisen oder Schwefel, als Energiequelle. Gleichzeitig verändern sie die Zusammensetzung des Wassers. Nitrat wird abgebaut. Metalle werden umgewandelt. Problematische Verbindungen verlieren ihre Wirkung.

Frei lebende Mikroorganismen besitzen diese Fähigkeiten deutlich seltener. Sie werden mit dem Wasserstrom transportiert und reagieren schneller auf Veränderungen. Ihre Arbeit bleibt jedoch weniger konstant. Der Unterschied ähnelt dem zwischen festen Produktionsstätten und mobilen Einzelakteuren.

Mikroorganismen stabilisieren das Grundwasser durch Biofilme

Die langfristige Stabilität von Grundwasser hängt stark von diesen festen Gemeinschaften ab. Biofilme arbeiten gleichmäßig über lange Zeiträume. Dadurch puffern sie Schwankungen ab und machen Systeme widerstandsfähiger. Besonders relevant sind dabei drei Prozesse:

Stickstoff-Umwandlung: Biofilme bauen Nitrat ab, das aus Landwirtschaft oder Abwasser stammen kann.
Eisen- und Schwefelreaktionen: Diese Prozesse verhindern ungünstige chemische Kettenreaktionen im Wasser.
Pufferwirkung: Die Masse der Biofilme sorgt für träge Reaktionen und stabilisiert die Umgebung.

So entsteht eine natürliche Selbstreinigung – lange bevor Technik eingreift.

Mikroorganismen binden Kohlenstoff im Untergrund

Ein Teil der an Gestein lebenden Mikroorganismen bindet auch Kohlendioxid. Sie gewinnen Energie aus anorganischen Stoffen und bauen dabei Kohlenstoff in ihre Biomasse ein. Dieser Anteil liegt deutlich höher als bei frei lebenden Mikroben.

Das verändert den Blick auf natürliche Kohlenstoffspeicher. Bisher konzentrierten sich viele Berechnungen auf Prozesse im Wasser. Die neue Analyse legt nahe, dass Aquifere in Kalkstein mehr Kohlendioxid festhalten können als bislang angenommen. Ein Teil davon bleibt über lange Zeit im Biofilm gebunden. Prof. Kirsten Küsel, Professorin für Aquatische Geomikrobiologie erklärt:

Mikroorganismen halten viele natürliche Systeme im Gleichgewicht, ohne dass wir es bemerken.

Aktivität folgt festen Mustern

Interessant ist auch, welche Mikroorganismen tatsächlich aktiv sind. In Biofilmen arbeiten vor allem die häufigsten Arten konstant. Seltene Vertreter bleiben meist ruhig. Im freien Wasser zeigt sich ein anderes Bild. Dort wechseln Aktivität und Ruhe häufiger, oft bei Arten mit geringer Häufigkeit.

Insgesamt leisten Biofilme dennoch mehr. Ein größerer Anteil ihrer Biomasse ist dauerhaft aktiv. Das erklärt, warum sie trotz geringerer Vielfalt eine stärkere Wirkung entfalten. Stabilität entsteht hier nicht durch Abwechslung, sondern durch Kontinuität.

Neue Sicht auf den Untergrund

Die Ergebnisse stellen ein lange verbreitetes Modell infrage. Oft wurde angenommen, dass frei lebende Mikroorganismen eine Art Vorrat bilden, aus dem sich Biofilme speisen. In den untersuchten Kalkstein-Aquiferen trifft das offenbar nicht zu. Die Gemeinschaften bleiben getrennt und entwickeln eigene Eigenschaften.

Für Praxis und Forschung bedeutet das einen Perspektivwechsel. Wer Grundwasser schützen will, muss den festen Untergrund mitdenken. Eingriffe in Gestein, etwa durch Bauarbeiten oder Bohrungen, betreffen nicht nur den Wasserfluss, sondern auch diese unsichtbaren kleinen Helfer.

Kurz zusammengefasst:

Die Qualität von Trinkwasser entsteht zu großen Teilen im Untergrund: Mikroorganismen, die fest an Gestein haften, prägen chemische Prozesse im Grundwasser stärker als frei schwebende Keime.
Diese Biofilme wirken wie stabile Werkstätten: Sie bauen Schadstoffe ab, puffern Schwankungen und halten zentrale Stoffkreisläufe über lange Zeit im Gleichgewicht.
Zugleich binden sie Kohlendioxid im Gestein: Dadurch tragen sie nicht nur zur Wasserqualität bei, sondern auch zur langfristigen Speicherung von Kohlenstoff.

Übrigens: In vielen Kläranlagen erledigen Bakterien ihre Arbeit nicht frei im Wasser, sondern verborgen im Inneren von Einzellern – mit Folgen für Klima und Stickstoffkreislauf. Warum diese unsichtbaren Helfer sauberes Abwasser sichern, dabei aber ein starkes Treibhausgas freisetzen, erklärt unser Artikel.