Mikrobielle Aktivität alpiner Karstgewässer

Alpines Karstquellwasser spielt in alpinen Regionen wie Österreich eine bedeutende Rolle in der Wasserversorgung. Wissen über ökologische Zusammenhänge alpiner Karstaquifere ist daher von besonderer Relevanz für nachhaltiges Resourcenmanagement. Neuere Forschungsergebnisse unserer Arbeitsgruppe zeigen, dass Quellwässer alpiner Karstaquifere komplexe mikrobielle Gemeinschaften bestehend aus Prokaryonten (Bakterien, Archeaen), Eukaryonten (Protozoen) und Virenpartikeln beinhalten. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass zumindest ein signifkanter Teil dieser mikrobiellen Gemeinschaften autochthonem Ursprunges ist, also einen nativen Teil des alpinen Karstaquifers selbst darstellt. Welche Bedeutung besitzen nun diese mikrobiellen Gemeinschaften in alpinen Karstquiferen. Können sie lediglich als Ansammlung "passiver" Biomasse gesehen werden oder bilden sie in ihrer Gesamtheit einen aktiven Bioreaktor mit Bedeutung für Stoff- und Energiefluß aus? Das eingereichte Projekt wird erstmals die Relevanz mikrobieller Aktivitäten in Quellwasser und Biofilmkompartimenten alpiner Karstaquifere untersuchen. Die Ergebnisse werden einerseits für das bessere Verständniss alpiner Karstaquifere (d.h. Energie- und Stoffkreislauf, phreatische Karstifizierungsprozesse), als auch für die Wasserversorgung (d.h. Selbstreinigungspotential und biologische Stabiliät von Karstwasser) als richtungsweisend erachtet. Das Forschungsprojekt zielt dabei auf die Untersuchung der prokaryontischen Aktivität ab, da deren biokatalysatorischen Aktivitäten als grundlegend in heterotrophen aquatischen Systemen gesehen werden. Wie im Forschungsantrag ausführlich dargestellt konnte in Vorabeiten bereits das nötige methodische Repertoir etabliert und im Quellwasser getestet werden. Mittels catalysed reporter deposition fluorescence in situ hybridisation (CARD-FISH), Mikroautoradiographie (MAR) und in situ prokaryotischer Produktionsmessungen ( 3 H-Leucin Inkorporation) wird es nun erstmals möglich sein mikrobielle Strukturen und Aktivitäten in Quellwasser und Biofilmkompartimenten zu ermitteln und vergleichend zu betrachten. Darüber hinaus kann auf hydrologische und chemo-physikalische "on-line" Basisinformation in den untersuchten Quellregionen zurückgegriffen werden die einerseits grundlegend für die Interpretation der jeweilig gemessenen Aktivitäten ist und andererseits deren Relevanzabschätzung für das Gesamtsystem ermöglicht. Da eine direkte Probennahme in alpinen gesättigten Karstaquiferen nicht möglich ist wird die Untersuchung an Quellwasserproben sowie korrespondierenden re-mobiliserten Aquifersediment, welche mittels Sedimentfallen gewonnen werden, durchgeführt. Durch diese vergleichende Untersuchung kann die Signifkanz von suspendierten vs. an Sediment- und Biofilmkompartimenten gebundene Prokaryonten ermittelt werden. Die ausgewählten Aquifersysteme (DKAS1, LKAS2) haben sich bereits in der Vergangenheit als ausgezeichnete "Modelle" der Karstforschung bewährt. Es soll betont werden, dass dieses Forschungsprojekt neben der Expertise mikrobieller Ökologen auch die Unterstützung der Hydrologie als auch der Wasserversorgung miteinbindet.

In mountainous areas like Austria, groundwater resources from alpine karst aquifers play a fundamental role for high quality public water supply. Consequently, alpine karst research has to provide the basic scientific understanding which enables to take all necessary steps for long term maintaining the ecological integrity of the respective alpine catchment areas. Recently conducted studies by our research group demonstrated for the first time the occurrence of a diverse microbial community including prokaryotic and eukaryotic microorganisms as well as viral particles in spring water of alpine karst aquifers. Furthermore, our research indicates that at least a significant fraction of the observed microbes are indigenous to the karstic aquifer environment itself. The so called "autochthonous microbial endokarst communities" in the spring water are likely to originate from sloughed cells attached to the rock surfaces and deposited sediments in the aquifer or occur simply suspended in low - flow interstitial areas. The question arises about the consequences of these microbial communities? Are they simply a passive collection of living organic matter or do they constitute a giant active bioreactor in the karst aquifer with all its ecological consequences? The proposed study will set the first crucial steps in evaluating the relevance of microbial metabolism in alpine karstic spring water and respective biofilm compartments. Results are of high interest for a better understanding of basic alpine karstic groundwater ecology (e.g. organic matter cycling, deep phreatic karstification) as well as for public water provision issues (e.g. self purification capacity of karstic aquifers, biological stability and quality of abstracted spring water). The proposal focus on the investigation on prokaryotic activity as it is considered the catalytic driving force of dark - heterotrophic processes. As outlined in the proposal, the applying research group already successfully adapted sensitive state of the art techniques for the determination of prokaryotic activity and community structure in spring water during a one years EU funded collaboration in 2003 to 2004 with the Netherlands Institute for Sea Research. For the first time it will become possible to link prokaryotic community composition, active cell compartments and total community production in spring water and respective biofilm compartments by means of catalysed reporter deposition fluorescence in situ hybridisation (CARD-FISH), microautoradiography (MAR) and in situ prokaryotic production measurements (3H- Leu incorporation). Furthermore by using "on-line" hydrological and chemographical information of the respective spring catchment itself, evaluation of the significance of prokaryotic activity for karst aquifer ecology and biogeochemical processes can be undertaken. Because alpine karstic aquifers, especially the saturated zones, are not directly accessible the investigation will be based at spring locations investigating spring water as well as corresponding re suspended sediments and their attached biofilms by permanently installed sediment traps. Thus, an evaluation of the significance of attached vs. suspended prokaryotes will become possible. A seasonal variation analysis covering three summer and two winter seasons and additionally two flood investigations will be undertaken. The selected "model" alpine catchment areas of the DKAS1 and LKAS2 spring have already proved an excellent setup in previous studies. It should be mentioned that this research involves the close cooperation of microbial ecologists, hydrologists and public water works.