Auf Spurensuche bis in die Eiszeiten
„Direct Push“ wird von der sechs Mal acht Meter großen HIPERCORIG-Plattform aus betrieben, die auf dem Bodensee etwa zwei Kilometer südlich vor Hagnau verankert ist. Das System besteht aus einem Kolbenkernrohr, das von einem sogenannten Imlochhammer betrieben wird, einer Weiterentwicklung aus dem Berg- und Spezialtiefbau. Die Entnahme der Sedimentkerne selbst findet dadurch sehr schonend und unter Erhaltung der feinen Sedimentschichtung im Seegrund statt. Der Standort vor Hagnau wurde aufgrund seines seismischen Profils ausgewählt: Die Sedimentschicht ist dort besonders tief und erlaubt es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, Sedimentkerne in großer Tiefe zu ziehen.
Laura Epp: Alte DNA und die Geschichte des Bodensees
Laura Epp erforscht die in den Sedimenten und Gewässern des Bodensees enthaltene alte DNA (aDNA) sowie Umwelt-DNA (eDNA), um mehr über lokale Ökosysteme und deren Geschichte in Erfahrung zu bringen. Dabei interessiert sie sich vor allem für die geschichtliche Entwicklung von Ökosystemen und deren Einfluss auf die heutige Biodiversität im See, sowohl was Lebensgemeinschaften als auch einzelne Arten angeht. Mit ihrer Forschung möchte sie nachvollziehen, inwiefern Klimaveränderungen und menschliche Einflüsse die Biodiversität in der Vergangenheit beeinflusst haben, auch um daraus Vorhersagen über zukünftige Entwicklungen abzuleiten.
Die Kernbohrungen mit HIPERCORIG nutzt sie, um die Sedimentkerne auf Spuren alter DNA zu untersuchen (alte DNA ist DNA, die älter als einhundert Jahre ist). „Mich interessieren dabei folgende Fragen“, erklärt Laura Epp: „Wie variabel war denn eigentlich das Bodenseesystem überhaupt vor dem zwanzigsten Jahrhundert? Wir kennen die Geschichte der Euthrophierung sehr gut und wissen dank Anan Ibrahims Doktorarbeit auch, dass sich die damit verbunden Veränderungen sehr gut in den genetischen Daten nachvollziehen lassen. Worüber wir hingegen gar nichts wissen, ist das, was davor war. Und der Bodensee hat ja nicht nur eine sehr lange erdgeschichtliche Vergangenheit, sondern auch eine sehr ausgeprägte Geschichte anthropogener Beeinflussung.“
Frühere Studien aus den 1990er Jahren, die an einem damals gezogenen Kern durchgeführt wurden, zeigen in erster Linie Reaktionen des Seeökosystems auf klimatische Änderungen, aber zwischen 6000 und 2800 Jahren stehen Änderungen auch in einem zeitlichen Zusammenhang mit erhöhter menschlicher Besiedlung des Seeufers. Aus den alten Daten lässt sich allerdings nicht ableiten, ob die Änderungen anthropogen bedingt waren. „Was mich in diesem Zusammenhang besonders interessiert, ist ob und wie sich das zwanzigste Jahrhundert abhebt – Stichwort Anthropozän – und ob es in der Stärke und Geschwindigkeit des Umschwungs vergleichbar mit früheren Umschwüngen ist, oder in der Art und Weise, wie sich das gesamte Ökosystem genetisch verändert hat.“
Um große Veränderungen nachvollziehen zu können, plant Laura Epp in ihren Untersuchungen der eventuell noch vorhandenen alten DNA bis zur vergangenen Eiszeit zurückzugehen. „Der Bodensee ist ein wunderbares Modellsystem für diese Art von Studien, denn er vereint Klimageschichte, frühe Besiedlung und intensive Nutzung über lange Zeiträume hinweg.“ Die Kerne, an denen sie für ihre Forschung arbeitet, werden gleichzeitig von David Schleheck unter mikrobiellen Gesichtspunkten beprobt (mehr zu seinem Forschungsprojekt unten).
Es werden aber auch Untersuchungen für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler anderer an dem Projekt beteiligter Institutionen durchgeführt, die nicht vor Ort sein können und sich unter anderem für Porenwasseranalyse, Sulfatreduktion oder Methanbildung interessieren. Diese Tests müssen an den frischen, unveränderten Kernen durchgeführt werden, ehe chemische und biologische Reaktionen stattfinden können, die die Messungen und die daraus resultierenden Ergebnisse verfälschen würden.
Von der vollständigen Öffnung der Kerne an der Universität Bern erhofft sich Laura Epp weitere Erkenntnisse. „Lokal können wir nur Stichproben aus der Mitte der Kerne entnehmen. In Bern, wenn die Kerne längs aufgeschnitten und umfassend untersucht werden, können wir uns ein viel vollständigeres Bild machen. Das ist eine unglaubliche spannende Perspektive.“
David Schleheck: Neuer Auftrieb für altes mikrobielles Leben
David Schleheck leitet als Mikrobiologe eine Arbeitsgruppe für Mikrobielle Ökologie an der Universität Konstanz und wird durch das Heisenberg-Programm der DFG gefördert. Er widmet sich in seiner Forschung insbesondere der Frage, wie Mikroorganismen sich in der Umwelt ernähren und dabei zu den globalen Stoffkreisläufen beitragen. Im Rahmen des HIPERCORIG-Projekts stehen aber auch für ihn eher DNA-basierte Untersuchungen im Vordergrund. Ihn interessiert dabei hauptsächlich, welche Mikroorganismen in den bei der Beprobung entnommenen uralten Sedimentschichten bis heute überdauert haben.
„Das Novum für uns an der Universität Konstanz ist, dass wir jetzt sowohl aDNA-Proben für das Kooperationsprojekt mit Laura Epp als auch mikrobiologische Proben unter optimalen Bedingungen nehmen können“, so Schleheck. Um die noch wenigen vorhandenen Mikroorganismen unter natürlichen Bedingungen studieren zu können, müssen diese unter möglichst unveränderten Bedingungen aus dem Seegrund an die Oberfläche und bei ausreichender Kühlung bis ins Labor gebracht werden.
Eine gut funktionierende Infrastruktur ist dabei enorm wichtig, erklärt der Wissenschaftler: „Bei dieser Gelegenheit möchten wir uns deshalb ganz besonders bei den Wissenschaftlichen Werkstätten der Universität Konstanz bedanken, die uns sehr kurzfristig zwei Meter lange Isolationskisten für den Kerntransport gebaut und bei der Optimierung der Werkzeuge für eine schnelle Öffnung der Kernhülsen sehr geholfen haben.“
Schleheck plant deshalb, in einem kultivierungs-unabhängigen Forschungsansatz aus den Sedimentproben die gesamte mikrobielle DNA zu extrahieren und diese dann in einem sogenannten Shotgun-Verfahren zu sequenzieren: „Wir können damit die 16S rDNA Sequenzen der Mikroorganismen lesen, sozusagen ihre Namensschilder, sowie aus der Shotgun-Sequenzierung unter Umständen deren vollständige Genomsequenzen rekonstruieren.“ Über die genetische Information kann dann abgeleitet werden, auf welche Stoffwechselleistungen die Organismen spezialisiert sind und wie sie sich ernähren. „Aus den analytisch-chemischen Untersuchungen des Sedimentmaterials und des Porenwassers erhalten wir zudem wichtige Informationen über ihre Lebensbedingungen“, erklärt Schleheck.
Gerade haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Kern aus 14 Metern Tiefe beprobt, und zwar ein bereits sehr sandiges Sediment, das vermutlich aus der letzten Eiszeit, der Würmeiszeit vor etwa 14.000 Jahren, stammt. „Nur noch wenige Meter also, und wir sind in den Sedimenten des Alt-Bodensees angekommen“, freut sich Schleheck. Bei einer maximalen Bohrtiefe von 100 Metern blicken Laura Epp und David Schleheck somit sehr spannenden Wochen und Monaten entgegen.