HYDROMIC – Mikrobiome in Gewässersystemen unter morphologischen und einzugsgebietsbezogenen Belastungen MICrobiomes under Morphological and Catchment Pressures

Hintergrund: 

Süßwasser-Hydrosysteme – darunter Flüsse, Bäche, Lagunen, Auen und damit verbundene Feuchtgebiete – erbringen wesentliche Ökosystemleistungen wie Wasserreinigung, Nährstoffkreislauf, Erhaltung der Biodiversität und Klimaregulierung. Diese Funktionen werden maßgeblich von mikrobiellen Gemeinschaften vermittelt, die zentrale biogeochemische Prozesse wie den Kohlenstoffumsatz, die Stickstoffumwandlung und den Abbau von Schadstoffen vorantreiben. Als Grundlage für das Funktionieren aquatischer Ökosysteme reagieren Mikrobiome schnell auf Umweltveränderungen und können daher als sensible Indikatoren für die Gesundheit des Ökosystems dienen.

Lücken: 

Jüngste Fortschritte in der Hochdurchsatzsequenzierung und der Umweltgenomik haben beispiellose Möglichkeiten zur Charakterisierung und Überwachung aquatischer Mikrobiome geschaffen. Dennoch gehören diese zu den weniger bekannten Taxa, und es besteht nach wie vor nur ein begrenztes Verständnis darüber, wie sich Mikrobiome in Gewässersystemen unter dem kombinierten Einfluss von physikalischen Lebensraumveränderungen, Verschmutzungsgradienten und Landnutzungsmustern in Einzugsgebieten entwickeln und verändern. Die Entwicklung dieses Verständnisses ist unerlässlich, um die Bewertung von Ökosystemen zu verbessern und fundierte Entscheidungen für eine nachhaltige Flussbewirtschaftung und Renaturierungsstrategien zu treffen. Obwohl zahlreiche Studien einzelne Einflussfaktoren der mikrobiellen Vielfalt in Süßwasserökosystemen untersucht haben, konzentrieren sich die meisten auf isolierte Faktoren wie Nährstoffanreicherung oder bestimmte Schadstoffe. vergleichsweise wenige Studien integrieren den hydromorphologischen Zustand, den Verschmutzungsdruck und die Landnutzung auf Einzugsgebietsebene in einen einheitlichen analytischen Rahmen. Zudem liefern viele Untersuchungen lediglich statische Momentaufnahmen mikrobieller Gemeinschaften, ohne deren räumliche Variabilität über verbundene Gewässersysteme hinweg oder deren zeitliche Dynamik zu berücksichtigen. Die Zusammenhänge zwischen Mikrobiomzusammensetzung, Ökosystemfunktion und Indikatoren für ökologische Qualität sind nach wie vor nur unzureichend geklärt, was den Einsatz mikrobieller Indikatoren in der Umweltüberwachung einschränkt. Eine weitere wichtige Lücke betrifft die Wechselwirkung zwischen lokalen Umweltbedingungen und übergeordneten Landschaftsmerkmalen. Es ist unklar, ob die Landnutzung im Einzugsgebiet direkte Auswirkungen auf die Mikrobiomstruktur hat oder ob diese Auswirkungen durch Veränderungen in der Hydrologie, im Sedimenttransport und in der Schadstoffzufuhr vermittelt werden. Das Verständnis dieser Beziehungen auf verschiedenen Skalen ist entscheidend für die Vorhersage von Ökosystemreaktionen auf Umweltveränderungen und die Konzeption wirksamer Sanierungsmaßnahmen.

Zentrale Forschungsfrage:

Inwiefern beeinflussen hydromorphologische Bedingungen, Verschmutzungsgrade und Landnutzungsmuster im Einzugsgebiet die Zusammensetzung, Vielfalt und Entwicklung von Süßwasser-Mikrobiomen in Gewässersystemen?

Ziele:

Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, ein umfassendes Verständnis der Faktoren zu entwickeln, die die Mikrobiome von Gewässersystemen und deren Entwicklung als Reaktion auf morphologische Veränderungen, Verschmutzung und die Landnutzung im Einzugsgebiet bestimmen.

Konkret werden im Rahmen des Projekts folgende Ergebnisse erzielt:

• Eine Charakterisierung der Zusammensetzung und Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften in Gewässersystemen mit unterschiedlichen hydromorphologischen Bedingungen, Verschmutzungsgraden und Landnutzungskontexten.
• Eine integrierte Analyse zur Ermittlung des relativen Beitrags und der Wechselwirkungen physikalischer, chemischer und landschaftlicher Einflussfaktoren, die die Dynamik der Mikrobiomstruktur beeinflussen.
• Vorhersagemodelle, die Merkmale von Einzugsgebieten und Umweltbelastungen mit den Reaktionen mikrobieller Gemeinschaften und der Funktionsweise von Ökosystemen verknüpfen.
• Identifizierung mikrobieller Taxa oder Gemeinschaftssignaturen, die als Indikatoren für den Gesundheitszustand des Wassersystems und die ökologische Integrität dienen können.
• Empfehlungen zur Einbeziehung von Mikrobiom-Informationen in Konzepte zur Überwachung von Süßgewässern, zur Renaturierung von Flüssen und zum Management von Einzugsgebieten.

Zu den Hauptnutznießern dieser Ergebnisse zählen Umweltbehörden, die für die Bewertung der Wasserqualität zuständig sind, Verantwortliche für die Bewirtschaftung von Flusseinzugsgebieten und Fachleute für Renaturierung, die nach wissenschaftlich fundierten Entscheidungshilfen suchen, politische Entscheidungsträger, die Strategien für ein integriertes Management von Wassereinzugsgebieten umsetzen, sowie die wissenschaftliche Gemeinschaft, die sich mit der Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen und der mikrobiellen Ökologie befasst.