Umwelt-Mikrobiom

Die Biosphäre, die Zone auf der Erde, in der Leben existiert, besteht aus zahlreichen Ökosystemen, definiert als “Komplexe von lebenden Organismen, ihrer physischen Umgebung und all ihren Wechselbeziehungen in einer bestimmten Raumeinheit” (Encyclopedia Britannica). Die Betonung liegt hier auf “Wechselbeziehungen”, was bedeutet, dass alle Organismen in einem Ökosystem voneinander und von der jeweiligen “Raumeinheit”, also ihrer Umwelt, ABHÄNGIG sind. Einfach ausgedrückt: Ohne einander und eine gesunde Umwelt geht es nicht.

Es ist nicht nötig, an dieser Stelle noch einmal zu wiederholen, wie viel Schaden der Mensch durch die Verschmutzung der Ozeane, der Böden und der Luft bisher an so vielen Ökosystemen der Erde angerichtet hat. Die Vereinten Nationen schätzen, dass etwa EINE MILLION Pflanzen- und Tierarten in den nächsten Jahrzehnten aufgrund menschlicher Aktivitäten aussterben werden! Unsere dunkle Realität ist, dass dieser Planet vor einer riesigen Biodiversitätskrise steht und wir alle als menschliche Gesellschaft eine große Verantwortung dafür tragen.

Auf der hellen Seite wurde 2010 das Earth Microbiome Project ins Leben gerufen, mit dem Ziel, die globale mikrobielle Vielfalt zu charakterisieren. Unsere Hoffnung ist, dass wir, indem wir mehr über Mikroben (als essentielle Bestandteile jedes Ökosystems auf diesem Planeten) lernen, dazu beitragen können, Ökosysteme zu erhalten und zumindest einen Teil der von uns verursachten Schäden wiederherzustellen. Mit anderen Worten: Mikrobiome sollten uns helfen, andere Biome (Gemeinschaften von Pflanzen und Tieren in einer bestimmten Umgebung) zu retten.

In weiteren Absätzen werden wir einige brennende Umweltprobleme auflisten, bei denen Mikrobiome eine Schlüsselrolle spielen können.

Durch den jahrzehntelangen massiven Einsatz von Antibiotika gegen Human-, Tier- und Pflanzenpathogene haben wir resistente Mikroorganismen selektiert. Typischerweise wird die antimikrobielle Resistenz durch Mutationen in bestimmten Genen, den sogenannten Antimikrobiellen Resistenzgenen (AMGs), erreicht.

Die AMGs können auf einen anderen Mikroorganismus weiter übertragen werden, der dann eine entsprechende AMR erwirbt. Werden mehrere verschiedene AMRs von z. B. neuen Bakterien aufgenommen, werden diese multiresistent. Im schlimmsten Fall können die Bakterien gegen praktisch alle bekannten Antibiotika resistent werden.

Forscher sind ständig auf der Suche nach neuen Antibiotika und neuen Arten von antimikrobiellen Mitteln. Da sich AMR jedoch schnell entwickelt, ist dies ein Wettlauf gegen die Zeit. Viele aktuelle Studien befassen sich mit der Ausbreitung von AMGs in Abwässern, Frischwasser, Böden, etc. Leider scheint es, dass die AMGs in der Umwelt viel häufiger vorkommen als bisher angenommen, und es besteht dringender globaler Handlungsbedarf, um die weitere Entstehung von AMR zu verhindern.

Die Mikrobiomanalyse eröffnet neue Möglichkeiten zur Bekämpfung von AMR. Eine verstärkte Immunisierung von Menschen und Tieren (z. B. durch Impfungen) oder die Verbesserung von Mikrobiomen (siehe unsere anderen Kapitel über menschliche, tierische und pflanzliche Mikrobiome) kann zu einer besseren Immunität und einer geringeren Exposition gegenüber antimikrobiellen Mitteln führen. Zweitens kann das Mikrobiom die Immunisierung durch Impfstoffe erleichtern. Schließlich kann der Nachweis von Antibiotika abbauenden Stämmen oder Enzymen in Mikrobiomen helfen, Antibiotika selektiv zu entfernen, bevor sich AMR in einer bestimmten Umgebung ausbreitet.

Die zunehmende Produktion und Akkumulation von Kunststoffen auf Basis fossiler Brennstoffe stellt ein großes globales Umweltproblem dar. In den Ozeanen fließen jährlich 12,7 Millionen Tonnen Plastik, die schädliche Auswirkungen auf das Meeresleben haben. Kunststoffe kontaminieren riesige Flächen und Mikroplastik (Stücke von weniger als 5 mm Länge) beeinflusst verschiedene Mikrobiome (einschließlich des menschlichen Darms) sowie andere menschliche und tierische Systeme negativ, indem es Hormone und Enzyme beeinflusst.

Lösungen für die Kunststoffverschmutzung sind die Reduzierung der Kunststoffproduktion und des Kunststoffverbrauchs oder die Herstellung spezieller Arten von biologisch abbaubaren Kunststoffen, sogennate Bioplastik, durch die Verwendung von biologisch abbaubaren Rohstoffen (wie Zellulose und andere) oder durch gentechnisch veränderte Mikroben. Bioplastik reduziert auch die Kohlenstoffemissionen, wenn für ihr Herstellung keine fossilen Brennstoffe verwendet werden. Leider sind derzeit weniger als 5 % aller weltweit produzierten Kunststoffe biologisch abbaubar. Alternative Lösungen zur Beseitigung der Kunststoffverschmutzung umfassen das Screening von Mikrobiomen (Umwelt, Tier und Mensch) nach neuen Mikrobenstämmen, Genen und Enzymen, die Kunststoffabfälle direkt abbauen oder durch andere Organismen besser abbaubar machen können.

Bioremediation ist ein Begriff, der den Abbau verschiedener chemischer Schadstoffe aus Böden, Wasser, Abwässern und anderen Materialien durch Mikroben beschreibt. Beispiele sind die Entfernung von Herbiziden, Ölverschmutzungen und Schwermetallen. Die Analyse von Mikrobiomen kann neue Stämme und Stoffwechselwege aufdecken, die zur Verbesserung der Bioremediation genutzt werden können.

Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) sind so genannte “Treibhausgase”, die, wenn sie in die Atmosphäre gelangen, übermäßig zur globalen Erwärmung beitragen. Möglichkeiten zur Reduzierung des atmosphärischen CO2 sind die Photosynthese durch Pflanzen und Mikroorganismen sowie die Absorption durch den Boden und die Ozeane.

Es wird geschätzt, dass der Großteil des gesamten Kohlenstoffs und Methans im Boden in den dauerhaft gefrorenen Schichten in den kälteren Regionen, dem so genannten Permafrost, gespeichert ist. Andere Reservoire sind tropische Wälder, Grasland und Feuchtgebiete. Durch das Schmelzen des Permafrosts und die mikrobiellen Aktivitäten darin wird mehr CO2 und CH4 freigesetzt. Da CH4 ein viel stärkeres Treibhausgas ist als CO2, besteht die Sorge, dass dies die globale Erwärmung weiter beschleunigt. Andererseits wird in den trockenen Böden (als Folge der globalen Erwärmung in wärmeren Regionen) die Verfügbarkeit von Kohlenstoff und anderen Nährstoffen abnehmen und das Pflanzenwachstum negativ beeinflussen (siehe: Pflanzenmikrobiome und Rhizosphäre). Ein detailliertes Verständnis der Struktur der Bodenmikrobiome und der biochemischen Zyklen von Kohlenstoff und Methan in ihnen sowie die Frage, ob und wie wir in sie eingreifen können, um die globale Erwärmung abzumildern, haben definitiv höchste Priorität.

Auswirkungen der Erwärmung der Ozeane sind neben der Temperaturänderung auch Veränderungen des Salinitätsgrads (aufgrund der Eisschmelze), weniger verfügbarer Sauerstoff im Wasser und eine geringere Verfügbarkeit von Nährstoffen für Plankton und planktische Mikroorganismen. Wie all dies die Fähigkeit dieser photosynthetischen Organismen, atmosphärisches CO2 zu binden, und das gesamte Ökosystem beeinflussen wird, ist noch nicht ganz klar. Eine detaillierte Analyse des Ozean-Mikrobioms ist daher von entscheidender Bedeutung, um alle möglichen Szenarien zu verstehen.

Von vielen Mikroben ist bekannt, dass sie unter extremen Bedingungen auf der Erde überleben können, wie z. B. bei extremen Temperaturen, Druck, Salzgehalt oder Strahlung, was kein anderer lebender Organismus kann. Einige dieser Eigenschaften helfen uns bereits bei der Entwicklung neuer Biotechnologien. Ein klassisches Beispiel ist die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), bei der die DNA-Polymerase verwendet wird, die aus Thermophilus aquaticus, einem in heißen Quellen lebenden Bakterium, isoliert wurde. Die Erforschung extremophiler Mikrobiome kann uns Einblicke in neue Enzyme und Stoffwechselwege geben.

Im Hinblick auf die Erforschung des Weltraums durch den Menschen wird die Fähigkeit des Mikrobioms, die Bedingungen im Weltraum oder sogar auf anderen Planeten zu überleben, von großer Bedeutung für die Gesundheit der Kosmonauten und für die Astrobiologie. Neuere Beispiele sind Experimente auf der Internationalen Raumstation (ISS), unbemannte Missionen zum Mars und Vorbereitungen für eine bemannte Mission zum Mars.