Süßwasserökosysteme sind sowohl für die Biodiversität als auch für das menschliche Wohlbefinden unverzichtbar, stehen jedoch zunehmend unter Druck durch anthropogene Schadstoffe, darunter behandeltes Abwasser, Schwermetalle, Kunststoffe und Nährstoffungleichgewichte. Mikrobielle Gemeinschaften innerhalb dieser Ökosysteme spielen eine entscheidende Rolle im Nährstoffkreislauf, beim Abbau organischer Substanzen und bei der Wasserreinigung. Mit meinem bioinformatischen Hintergrund und meinem Interesse an der Resilienz von Ökosystemen habe ich mir zum Ziel gesetzt, zu erforschen, wie sich diese mikrobiellen Gemeinschaften an solche Stressfaktoren anpassen und auf sie reagieren. Meine Dissertation verwendet einen umfassenden Meta-Omics-Ansatz, der Metabarcoding, Metagenomik und Metatranskriptomik integriert, um mikrobiellen taxonomischen Wandel und funktionelle Stabilität zu untersuchen und aufzuzeigen, wie funktionelle Redundanz die Aufrechterhaltung wesentlicher Prozesse unterstützt, selbst wenn sich die Gemeinschaftszusammensetzung verändert.

Die Forschung ist in drei Hauptziele unterteilt, die gemeinsam die Reaktionen und Resilienz mikrobieller Gemeinschaften in Süßwasserökosystemen untersuchen. Das erste Ziel war es, durch Schadstoffe induzierte Veränderungen in mikrobiellen Gemeinschaften auf taxonomischer Ebene zu untersuchen, um potenzielle Frühindikatoren für ökologische Störungen zu identifizieren. In kontrollierten Mesokosmen-Experimenten konnte ich beobachten, dass die Exposition gegenüber behandeltem Abwasser bestimmte Bakterien-Taxa wie Pseudomonas und Burkholderia anreicherte, die für Antibiotikaresistenz und Schadstoffabbau bekannt sind. Diese Taxa erwiesen sich als verlässliche Bioindikatoren, die das chemische Stressniveau und die Toleranz der mikrobiellen Gemeinschaft widerspiegeln. Um die Genauigkeit dieser Beobachtungen zu maximieren, verglich ich Sequenzierungsplattformen—Illumina und Oxford Nanopore Technologies (ONT)—und zeigte, dass ONT durch vollständige 18S-Sequenzen eine höhere Auflösung auf Artebene ermöglichte, während die Short-Read-Technologie von Illumina eine effiziente, hochdurchsatzfähige Gemeinschaftsprofilierung ermöglichte. Diese duale Plattform-Strategie zeigt die jeweiligen Stärken der Technologien und ermöglicht eine flexible und skalierbare Untersuchung der Gemeinschaftsstrukturen.

Von der Taxonomie zu den funktionellen Dynamiken übergehend, konzentrierte sich das zweite Ziel auf das Verständnis der funktionellen Resilienz mikrobieller Gemeinschaften. Mein Ziel war es zu untersuchen, ob diese Gemeinschaften trotz taxonomischer Veränderungen Stabilität in essenziellen Funktionen beibehalten können. Durch metagenomische und metatranskriptomische Analysen konnte ich feststellen, dass funktionelle Redundanz in mikrobiellen Gemeinschaften ihnen ermöglicht, wesentliche ökologische Rollen wie den Nährstoffkreislauf und den Schadstoffabbau auch unter Schadstoffstress aufrechtzuerhalten. Obwohl sich die Gemeinschaftszusammensetzung nach der Exposition gegenüber behandeltem Abwasser veränderte, wurden wesentliche Funktionen durch überlappende Rollen zwischen Taxa fortgeführt. Diese Resilienz war besonders in Ökosystemen mit hö- herer funktioneller Redundanz deutlich, in denen mehrere Arten ähnliche ökologische Aufgaben erfüllen konnten und so das Ökosystem gegen Funktionsverluste abpufferten. Die Auswirkungen der Schadstoffe erwiesen sich als gruppenspezifisch: Während Zink bakterielle Stoffwechselwege beeinflusste, die entscheidend für den Nährstoffkreislauf sind, beeinflussten Mikroplastik andere Protistengruppen unterschiedlich, was die komplexen, gruppenspezifischen Reaktionen verdeutlicht, die nur sichtbar werden, wenn funktionelle Einblicke mit taxonomischen Daten kombiniert werden.

Das letzte Ziel entstand aus dem Wunsch, ein ganzheitliches Rahmenwerk für Umwelt- überwachung und -management zu entwickeln, das diese Erkenntnisse in realen Kontexten anwenden kann. Durch die Kombination taxonomischer und funktionaler Daten zeigt meine Forschung, dass mikrobielle Gemeinschaftsbewertungen robuste Indikatoren für die Gesundheit von Ökosystemen liefern können. Unterschiedliche taxonomische Gruppen reagierten auf die getesteten Stressoren unterschiedlich, was die Notwendigkeit unterstreicht, funktionelle Metriken neben taxonomischen Verschiebungen zu betrachten, um ein umfassendes Bild der Resilienz eines Ökosystems zu erhalten. Taxonomische Veränderungen sind wertvolle Frühwarnzeichen für ökologische Ungleichgewichte, während funktionelle Metriken erfassen, wie sich essenzielle Prozesse unter Stress anpassen. Dieser Ansatz wird besonders relevant, wenn mehrere Schadstoffe gleichzeitig auf Ökosysteme einwirken, da die mikrobiellen Reaktionen auf komplexe Stressoren oft sowohl taxonomisch als auch funktional variieren. Dies zeigte sich in meiner Analyse von über 40 Süßwasserseen, bei der Nährstoffstress zu spezifischen genomischen Anpassungen in verschiedenen mikrobiellen Gruppen führte – eine differenzierte Reaktion, die nur sichtbar wurde, als funktionelle Bewertungen taxonomische Profilierungen ergänzten.

Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein Überwachungsrahmenwerk, das sowohl taxonomische als auch funktionelle Analysen integriert, die Erholung von Ökosystemen genauer vorhersagen, gezielte Managementinterventionen erleichtern und die ökologische Stabilität fördern könnte. Durch die Beobachtung, wie sich mikrobielle Gemeinschaften an Umweltverschmutzungen anpassen, hoffe ich, Erkenntnisse zu liefern, die die Umweltüberwachung unterstützen und dazu beitragen könnten, Schutzmaßnahmen für den Erhalt der Biodiversität und wesentlicher Ökosystemfunktionen angesichts wachsender anthropogener Belastungen zu gestalten.