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«Wir leben in einer Mikrobenwelt»

26.08.2021
Sie färben Gletscher rot und verleihen dem Bergkäse sein typisches Aroma: Die Vielfalt der Mikroorganismen ermöglicht unser aller Leben erst, meint Heribert Insam. Dem Mikrobiologen schwebt ein alpines Wissenschaftszentrum zu Kleinstlebewesen vor.
Bild Legende:
Heribert Insam erkärt, welchen Einfluss Schneealgen und anaerobe Pilze auf das Leben in den Alpen haben. © Carlos Blanchard

Herr Insam, sprechen wir über das Leben in den Alpen. Was kommt Ihnen dabei zuerst in den Sinn?

Als allererstes kommt mir als Mikrobiologe und Skitourengeher Clamydomonas nivalis in den Sinn. Das ist eine Schneealge, die im Frühling, wenn die Sonneneinstrahlung recht stark wird, plötzlich Gletscher und Schneefelder rot färbt. Viele meinen, das sei Saharastaub, aber zumeist ist es tatsächlich diese Alge. Sie breitet sich sehr schnell aus und gibt uns einen Eindruck davon, wie belebt selbst Schneefelder sein können. Man würde meinen, in gefrorenem Wasser gibt es kein Leben, aber diese Organismen können an der Schneeoberfläche wachsen.

Wie schaffen es diese Mikroorganismen, in dieser Umgebung zu überleben?

Ganz wichtig ist, dass sie das Gefrieren und Wiederauftauen überstehen. Insbesondere das Auftauen ist ein Problem. Eiskristalle, die in den Zellen vorhanden sind, können die Zellen oder Zellmembranen schädigen. Dadurch können die Protonenflüsse nicht mehr kontrolliert werden und die Zellen sterben ab. Organismen, die das Einfrieren und Wiederauftauen überleben, haben ganz besondere Schutzmechanismen, um das durchstehen zu können. Dazu gehören auch so genannte Dauerstadien, wie beispielsweise Sporen.

Nicht jeder weiss, was Mikroben sind. Können Sie das kurz auf den Punkt bringen?

Wir am Institut verstehen unter Mikroorganismen im Wesentlichen Bakterien und Pilze. Aber es kommen auch noch die Archaeen dazu. Das sind ebenfalls einzellige Mikroorganismen. Früher hiessen sie Urbakterien. Sie sehen aus wie Bakterien, sind aber keine. Archaeen lieben besonders heisse Habitate in der Tiefsee, wo sie Temperaturen bis zu 120 Grad Celsius überleben können. Es gibt aber auch solche, die kälteliebend, also psychrophil sind. Und die findet man dann wiederum in alpinen Höhenlagen.

Warum haben Sie begonnen, Mikroben zu erforschen? 

Ich habe eigentlich zuerst Botanik studiert und eine Dissertation angefangen, aufgrund eines Schädlingsbefalls sind dann jedoch alle dreitausend Hochlagen-Fichtenklone eingegangen. Kurzfristig gab es keinen Ersatz, und ich bekam zufällig die Gelegenheit, in einem Forschungsprojekt zur Rekultivierung von Skipisten mitzuarbeiten. Wir testeten damals ein Abfallprodukt aus der Pharmaindustrie: Mikroorganismen. Das waren Pilze, die zur Antibiotika-Produktion verwendet worden waren. Die haben wir als Düngemittel in vielen, vielen Labor- und Freilandversuchen getestet und verbessert. Wir sind damals in fast 3‘000 Meter Höhe hinaufgegangen, um Skipisten mit diesem Material zu begrünen. Innerhalb von wenigen Tagen verfestigte sich der Boden. Dadurch konnten relativ langsam wachsende Gräser dort Wurzeln schlagen, welche wiederum die Erosion verminderten.

Eines hat mich immer schon fasziniert: Die Vielfalt der Mikroorganismen, die in der Lage ist, eigentlich unser aller Leben zu ermöglichen. Hätten wir keine Mikroorganismen, hätten wir keine Stoffkreisläufe und das Leben würde früher oder später zum Ende kommen. Letzten Endes stammen alle höheren Lebewesen – und damit auch wir – von ihnen ab, nämlich als weiterentwickelte Symbiosen zwischen Mikroorganismen, den ersten Besiedlern der Erde.

Zählen Ihrer Ansicht nach auch Viren zu den Mikroben, beispielsweise SARS-CoV-2?

Da scheiden sich in der Wissenschaft tatsächlich die Geister. Die einen sagen, es ist ein Molekül und die anderen sagen, es ist ein Lebewesen. Wenn man Bakterien oder Pilze studiert, kommt man nicht darum herum, sich auch die Viren anzuschauen. Im Fall des Coronavirus haben wir am Institut die Chance ergriffen, ein grosses Projekt zu starten. Dabei geht es um Coronaviren im Abwasser. Wir studieren das Vorkommen dieses Virus im Zulauf von Kläranlagen und können dadurch sehr deutlich erkennen, wann sich wieder irgendwo ein Infektions-Cluster bildet.

Ein Schweizer Forschungsprojekt hat in Permafrost und im Gletschereis bislang unbekannte Mikroorganismen gefunden. Was passiert, wenn diese Mikroben durch die Gletscherschmelze freikommen?

Also ich würde mich vor diesen unbekannten Mikroorganismen nicht fürchten. Die sind in der Vergangenheit bei Gletscherschmelzen immer schon freigesetzt worden und wahrscheinlich auch in anderen Habitaten vorhanden. Ich wäre da eher entspannt. Wir leben in einer Mikrobenwelt und unser Immunsystem ist in der Regel in der Lage, mit solchen Dingen fertig zu werden. Aber natürlich erzählen Mikroorganismen, die in alten Gletscherschichten plötzlich freigesetzt werden, eine Geschichte. Ich kann von ihnen auf frühere Pflanzengesellschaften schliessen oder darauf, welche Tiere möglicherweise in dieser Gegend vorhanden waren. Die Wissenschaft steht auf dem Gebiet erst am Anfang.

Sie beschäftigen sich unter anderem mit mikrobiellem Ressourcenmanagement, also damit, wie man Mikroorganismen besser nutzen kann. Wofür?

Zum Beispiel für die Biogasproduktion. Biogas kann ich aus Abfällen verschiedenster Art machen: aus Biomüll von Haushalten, aus Abfällen der Landwirtschaft wie Stroh- oder auch Maisresten. Bakterien und Pilze bauen die Lignocellulose zu Zuckern und organischen Säuren um, Archaeen machen dann daraus das Biomethan. Den ersten Schritt der Zerkleinerung von Cellulose-Molekülen nennen wir Hydrolyse. Nur wenige Organismen können ihn ohne Sauerstoff durchführen, wie zum Beispiel anaerobe Pilze. Die versuchen wir in Biogasanlagen zu etablieren. In der Natur finden wir diese anaeroben Pilze im Darm von Wiederkäuern, wie es sie auch in den Alpen gibt. Besonders viel Raufutter wie Stroh oder Heu fressen nämlich Tiere, die hoch oben auf den Bergen leben: Steinbock, Gämse, auch verschiedene Vögel. Die beherbergen in ihrem Darm solche anaeroben Pilze, die wir so zu kultivieren versuchen, dass sie auch in den Biogasanlagen ihre Arbeit tun.

Mit Mikroorganismen stellt man aber auch Lebensmittel her, wie zum Beispiel Käse. Welche Rolle spielen Mikroben dabei?

Mikroben bauen den Zucker zu Milchsäure ab, der erste wichtige Schritt bei der Käseherstellung. Weiters bringen sie Aromastoffe in den Käse. Je nach dem Standort einer Käserei gibt es ein anderes Konsortium an Mikroorganismen. Mit seinen grossen runden Löchern ist beispielsweise der Emmentaler ein typischer Käse, wo Propionibakterien zur Gärgas- und Aromabildung beitragen.  Die Käsequalität hängt auch sehr stark davon ab, was die Kühe oder die Schafe vorher gefressen haben, weil sich damit die Mikrobiota in der Milch ändert. Und dann kommt noch dazu: Wo reift der Käse? Die Umwelt hat einen sehr starken Einfluss.

Anhand von Beispielen wie diesen verstehen auch Laien sehr gut, was Mikroorganismen leisten. Eines Ihrer Projekte dreht sich um Wissensvermittlung – eine Art Zoo für Mikroben. Wie entstand diese Idee?

Ich war vor zirka vier Jahren in Amsterdam und besuchte das neu gegründete Mikropia, eine an den Amsterdamer Zoo angegliederte Schau zu Mikroorganismen. Es hat mich so sehr fasziniert – auch in der Ästhetik, die dort geboten wurde – dass ich mir dachte, es wäre schön, so etwas auch in Innsbruck zu machen; allerdings mit mehr Bezug zum Alpenraum. Die drei Hauptdisziplinen der Biologie sind Botanik, Zoologie und Mikrobiologie. Ich dachte mir: Für die Botaniker gibt es in Innsbruck den Botanischen Garten, für die Zoologen den Alpenzoo – und nun brauchen wir noch etwas für die Mikrobiologen. Diesen Gedanken habe ich dann weitergesponnen und versucht, meine Kolleginnen und Kollegen dafür zu begeistern. Wir haben Mikropia in Amsterdam gemeinsam besucht und begonnen, Pläne zu schmieden, wie wir das hier umsetzen könnten. Es gibt schon einen präzisen Zeitplan für «Mikrobalpina» oder «MicroMondo», wie unsere Arbeitstitel lauten. Nun versuchen wir, das Projekt gemeinsam mit der Firma Hollu in Zirl/A umzusetzen, die Systemhygiene anbietet und sich stark an den Sustainable Development Goals (Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen) orientiert. Das passt gut zusammen und wir hoffen, dass wir beim Neubau des Firmengebäudes im Jahr 2022 dort auch die Räumlichkeiten für unsere Welt der Kleinstlebewesen finden werden.

Auf den ersten Blick haben wir Menschen wenig mit Mikroben gemeinsam. Was könnten wir dennoch von diesen Kleinstlebewesen lernen?

Wissenschaftlich betrachtet, dass Diversität die Resilienz erhöht. Das heisst, die Vielfalt der Mikroorganismen befähigt die mikrobiellen Gemeinschaften, besser auf neue Herausforderungen zu reagieren. Das könnten wir vielleicht auch für uns lernen.

Kenner der Kleinstlebewesen

Heribert Insam leitet die Arbeitsgruppe für Mikrobielles Ressourcenmanagement an der Universität Innsbruck in Österreich. In seiner Forschung beschäftigt er sich mit Mikrobieller Ökologie, Bodenmikrobiologe, mikrobiologischen Möglichkeiten der Abwasserreinigung und allgemeiner Umweltbiotechnologie. Eines seiner Projekte ist ein Wissenschaftszentrum, das die unsichtbare Welt der kleinsten Lebewesen sichtbar machen und auf allgemein verständliche Weise vermitteln soll, welche Rolle Mikroben für das Leben in den Alpen und darüber hinaus spielen.

www.mikrobalpina.org