Überraschende Pilze in uraltem Antrim-Schieferwasser aus Gasbrunnen im nördlichen Michigan

In Nord-Michigan fördern Gasbrunnen täglich Wasser an die Oberfläche. Dieses Wasser stammt aus Schiefergestein, das älter ist als die ersten Dinosaurier – und lange Zeit gingen Forschende davon aus, dass darin höchstens Bakterien überleben.

Quinn Moon, Doktorand an der University of Michigan (UM), nahm eine Probe dieses Wassers, filtrierte sie, schüttelte die Filter anschliessend in sauberem Wasser aus, um die Zellen zu lösen, und verteilte das Gelöste auf Agarplatten.

„Ich erinnere mich daran, wie ich ein paar Tage nach der Probenahme auf die Kultivierungsplatten geschaut habe – sie waren voll mit sehr, sehr vielen unterschiedlichen Stämmen, die in allen möglichen Formen und Farben wuchsen“, sagte Moon gegenüber Earth.com.

Es wuchsen Hunderte Stämme. Moon zufolge bezweifelten die meisten Projektbeteiligten, dass das Team in dieser Tiefe überhaupt Spuren von Pilzen finden würde.

Gasbrunnen liefern uraltes Schieferwasser

Moons Team beprobte sechs aktive Gasbrunnen im Antrim-Schiefer, einer organikreichen Gesteinsformation unter grossen Teilen der Great-Lakes-Region. Die Bohrungen reichen 810 bis 1.824 Fuss (247 bis 556 Meter) in die Tiefe – am tiefsten also ungefähr ein Drittel einer Meile.

An jedem Bohrlochkopf wurden 21 Gallonen (80 Liter) Wasser entnommen und dann so lange filtriert, bis die Filter verstopften.

Der flachste Brunnen lieferte vergleichsweise frisches Wasser mit 448 Milligramm gelösten Feststoffen pro Liter. Aus dem tiefsten Brunnen kamen 112.000 Milligramm pro Liter – rund dreimal salziger als Meerwasser.

In den weniger salzigen Brunnen passt die Wasserstoff- und Sauerstoff-Signatur des Wassers zu Schmelzwasser aus der späten Eiszeit. Moon verortet den letzten Kontakt zur Oberfläche bei etwa 11.000 Jahren.

Damit Oberflächenkeime als Erklärung ausscheiden, überprüfte das Team zudem eine mögliche Kontamination: Als Kontrolle wurden sterile Wasserproben auf Platten ausgestrichen, ausserdem liessen sie dasselbe Nährmedium fünf Minuten lang offen in der Raumluft stehen. Auf diesen Kontrollplatten wuchsen 23 Kolonien – und jeder Stamm, der zu einer davon passte, wurde aus den Ergebnissen entfernt.

Schieferwasser ist voller Pilze

Unter dem Mikroskop zählte Moon mit Hilfe einer Färbung, die an Pilzzellwände bindet, 4.200 bis 6.800 Pilzzellen pro Milliliter Brunnenwasser. Ein einzelner Tropfen enthält damit grob 250 davon.

Zum Vergleich: Meerwasser weist 8 bis 2.000 Pilzzellen pro Milliliter auf. Das Schieferwasser ist damit mindestens doppelt so dicht besiedelt wie das pilzreichste Meerwasser – und im Vergleich zu den meisten Meeresproben sogar um ein Vielfaches.

Bakterien sind dennoch deutlich häufiger und übertreffen Pilze um Hunderte bis Tausende Zellen zu eins. Pilzzellen sind jedoch wesentlich grösser; rechnete Moons Team die Zellzahlen in Kohlenstoff um, kamen die Pilze auf etwa ein Fünftel der Kohlenstoffmenge der Bakterien.

In den genetischen Daten tauchten ausserdem Rädertierchen, Fadenwürmer, Ringelwürmer und die achtbeinigen Bärtierchen auf – ebenso Parasiten, die Tiere und andere Pilze befallen.

Viele Pilze sind neu für die Wissenschaft

Aus den Proben zog das Team 205 Reinkulturen, die sich in 67 klar unterscheidbare Gruppen einteilen liessen. 26 dieser Gruppen liessen sich keinem bekannten Genus zuordnen.

13 passten zudem zu keiner beschriebenen Art so eng, dass man sie als solche hätte werten können. Eine davon, Teichospora sp. QM01, stimmte mit dem nächstverwandten Datenbankeintrag nur zu 74 Prozent überein.

In allen sechs Brunnen fand sich ausserdem ein Weissfäulepilz namens Irpex cf. lacteus. Weissfäulepilze bauen an der Oberfläche Holz ab.

Die Kulturen werden inzwischen im Herbarium der University of Michigan eingefroren und getrocknet aufbewahrt – als erste öffentlich zugängliche Sammlung von Pilzen aus dem tiefen Untergrund.

Unterirdische Pilze könnten Kohlenstoff beeinflussen

Etwa 90% des organischen Kohlenstoffs auf der Erde sind im Untergrund gespeichert – in Öl, Kohle und Schiefer. Die übrigen 10% stecken in Pflanzen, Böden und den Ozeanen.

Moon sagt, Klimaprojektionen gingen meist davon aus, dass der Grossteil dieser 90% dauerhaft gebunden bleibt. Die offenbar hohe Pilzmenge werfe jedoch Fragen auf, wie schnell solche Lagerstätten zu Gas umgewandelt werden könnten.

Zudem gibt es Pläne, Kohlenstoff gezielt im Untergrund zu lagern: Nahezu jede Methode, um Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen, endet damit, dass es in grosse Tiefen verpresst wird.

„Diese Strategien haben bisher nicht berücksichtigt, dass sie diesen Kohlenstoff möglicherweise in Umgebungen mit Unmengen an Pilzen injizieren, die den Kohlenstoff abbauen und in unvorhergesehene Formen umwandeln könnten“, sagte Moon gegenüber Earth.com.

Moons Team betont aber auch die Grenzen der eigenen Daten: Niemand hat bislang gemessen, wie viel Kohlenstoff eine Pilzzelle aus dem Untergrund enthält – daher nutzten sie Umrechnungsfaktoren aus der Ozeanforschung. Ausserdem fingen die Filter nur frei lebende Zellen ab; in vergleichbaren Umgebungen leben 20% bis 80% des mikrobiellen Lebens in Biofilmen auf Oberflächen statt frei im Wasser. Und eine Zelle im Wasser kann zudem inaktiv sein, statt tatsächlich zu wachsen.

Forschende testen Pilze an Schadstoffen

„In all meiner Ausbildung zum Pilzbiologen kommt der Untergrund in keinem Lehrbuch vor – dass ich das jetzt gefunden habe, wirft für mich eine Million unbeantworteter Fragen zur Vielfalt und Rolle von Pilzen in unterirdischen Ökosystemen auf“, sagte Moon gegenüber Earth.com.

Gemeinsam mit dem Joint Genome Institute arbeitet sein Team daran, jeden Stamm zu sequenzieren, um zu verstehen, wie diese Pilze in solcher Tiefe überleben.

Als die Probenahmen begannen, war das jedoch nicht das Ziel. Moon beschreibt, dass solche Arbeiten meist mit einer Grundlagenfrage starten – wer lebt im Untergrund, und wie funktioniert dort der Kohlenstoffkreislauf? Erst später entstehe daraus etwas, das sich praktisch nutzen lasse. Er sagt, die aktuelle Administration dränge darauf, genau diese Art von Grundlagenforschung einzuschränken.

„Sobald wir aufhören, ‚Grundlagen‘-Wissenschaft zu finanzieren, wird auch unsere Fähigkeit, angewandte Wissenschaft zu produzieren, zurückfallen“, sagt Moon.

In diesem Fall könnte eine Anwendung bereits greifbar sein: Das Team füttert seine Stämme inzwischen mit Kohle, Schiefer, Öl und Plastik, um herauszufinden, was sie verwerten können. Sollte auf den Platten etwas einen Kohlenwasserstoff abbauen, den sonst niemand knacken kann, wäre der Nutzen potenziell gross. Ein Pilz, der 11.000 Jahre im Dunkeln unter Michigan verbracht hat, könnte sich als Werkzeug für die Sanierung eignen.

Die vollständige Studie erschien im ISME Journal.

Bildnachweis: Ronan Montgomery-Taylor, University of Michigan