Mikrobiome sind in aller Munde, und das ist durchaus wörtlich zu nehmen: Allein im menschlichen Rachenraum leben bis zu 1000 verschiedene Bakterienarten. Mikrobiome sind charakteristische Lebensgemeinschaften von Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Mikroalgen und tierische Einzeller. Besonders bekannt sind die Mikrobiome im menschlichen Verdauungstrakt, man spricht auch von der Darmflora. Es gibt viele Belege dafür, dass sich der Zustand und die Beschaffenheit unseres Darmmikrobioms auf unsere Gesundheit und unser Befinden auswirkt. Ein anderes prominentes Mikrobiom findet sich im Wurzelbereich von Pflanzen und Bäumen, man spricht von der Rhizosphäre. Hier sind insbesondere die Pilze, die eine Symbiose mit den Wurzeln von Bäumen eingehen, die so genannten Mykorrhiza, sehr bekannt. Letztlich beherbergen alle Menschen, alle Tiere und alle Pflanzen viele Mikrobiome. Mikrobiome existieren aber auch ohne einen Wirt. So sorgen die Mikrobiome in Meeren und Seen dafür, dass in diesen Gewässern Biomasse als Nahrung für Kleinkrebse und andere wirbellose Tiere aufgebaut wird. Und Mikrobiome in Böden sorgen dafür, dass organische Stoffe abgebaut werden.
Könnten diese überall vorkommenden und so wichtigen Gemeinschaften von Mikroorganismen vielleicht eine Inspiration für die Gestaltung von nachhaltigen menschlichen Gesellschaften sein? Dieser Blogartikel soll diese ungewöhnliche Perspektive einnehmen, indem Mikrobiome zunächst näher erklärt werden, bevor dann Analogien zur Gesellschaft gezogen werden…
Eingehegte Mikrobiome sind Ökosystemdienstleister
In vielen alltäglichen Bereichen verlassen wir uns darauf, dass Mikrobiome für uns Menschen essentielle Dienstleistungen übernehmen: In der Kläranlage, im Komposthaufen und in der Biogasanlage fungieren Mikrobiome als Ökosystemdienstleister.
Besonders deutlich wird dies in der Kläranlage: Sie ist ein technisches System, das so gebaut und betrieben wird, dass die dort vorhandenen Mikrobiome ihre Arbeit optimal verrichten können. Jegliches Gewässer hat durch seine Mikroorganismen eine gewisse Selbstreinigungskraft. Dort werden natürliche organische Kohlenstoffverbindungen wie beispielsweise Fäkalien und Urin, aber auch Kadaver jeglicher Größe von Flohkrebsen bis hin zu großen Fischen letztlich durch Mikrobiome abgebaut. In der Kläranlage wird diese Selbstreinigungskraft im so genannten Belebungsbecken gezielt gefördert, indem Luft in das zu reinigende Abwasser eingeblasen wird, damit die Mikroorganismen genug Sauerstoff zur Verfügung haben, um die Schmutzstoffe im Abwasser abzubauen.
In einer Biogasanlage ist es genau umgekehrt: Diese ist luftdicht, damit kein Sauerstoff eindringen kann. Dadurch werden andere Mikroorganismen, so genannte Anaerobier gefördert. Sie können zum Beispiel aus landwirtschaftlichen Abfällen oder häuslichem Biomüll Biogas bilden, mit dem Strom erzeugt werden kann.
Vernetzung von Mikrobiomen führt zu Kreislaufprozessen
In der Natur existieren viele verschiedene Stoffkreisläufe, für die Mikrobiome verantwortlich sind, indem sie sich miteinander vernetzen. Am bekanntesten ist der Kohlenstoffkreislauf, in dessen Mittelpunkt das CO2 steht (Kohlendioxid): Grüne Pflanzen, aber auch viele Mikroorganismen wie Mikroalgen oder Cyanobakterien können aus CO2 Biomasse aufbauen, man spricht von CO2-Fixierung. Wird dazu Lichtenergie genutzt, nennt man diesen Vorgang Photosynthese. Es gibt aber auch CO2-Fixierung im Dunkeln, beispielsweise in der Tiefsee, wo kein Sonnenlicht mehr ankommt. Dort sind spezielle Mikrobiome zuständig, die man aber auch im Ackerboden findet. Letztlich ist die gesamte Biomasse auf der Erde, also alle Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen, durch CO2-Fixierung entstanden. Wenn diese Lebewesen sterben, wird ihre Biomasse wieder zu CO2 abgebaut. Somit wird der Kohlenstoffkreislauf geschlossen, weil CO2-fixierende mit CO2-freisetzenden Mikrobiomen vernetzt werden (Abbildung 1).
Auch der oft erwähnte Stickstoffkreislauf ist eine Vernetzung von Mikrobiomen: Er beruht auf Stoffwechseleigenschaften, die nur Mikroorganismen besitzen. Dabei werden Stoffe wie Nitrat, die unsere Umwelt und Gesundheit schädigen können, zu unschädlichem Stickstoffgas umgewandelt, das in die Atmosphäre entweicht. Fast jede Kläranlage ist so konzipiert, dass in ihr dieser natürliche Prozess, der als Stickstoffeliminierung bezeichnet wird, optimal abläuft. Stickstoffgas kann dann wiederum in speziellen Mikrobiomen fixiert werden, die man unter anderem an den Wurzeln von Schmetterlingsblütlern wie Klee oder Lupinen findet. So schließt sich der Stickstoffkreislauf. Das Faszinierende dabei ist, dass diese Vernetzung von Mikrobiomen, die mikroskopisch klein sind, letztendlich global wirksam ist und seit Hunderten Millionen Jahren stabil funktioniert!
Das Wissen über Mikrobiome explodiert
Die Existenz von Mikrobiomen ist der Menschheit erst seit maximal 150 Jahren bekannt. Mikrobiologische Prozesse, die für den Stickstoffkreislauf von essentieller Bedeutung sind, wurden vom ukrainisch-russischen Mikrobiologen Sergij Winogradski erst vor hundert Jahren entdeckt. In den letzten ca. 30 Jahren ist unser Wissen über Mikrobiome förmlich explodiert. Dies wurde durch molekularbiologische Techniken ermöglicht, vor allem durch die PCR (Polymerase-Kettenreaktion, die vielen aus der Pandemie bekannt ist) und durch die Möglichkeit, DNA-Sequenzen in sehr großer Zahl und mit sehr großer Geschwindigkeit zu entschlüsseln. Diese molekularbiologischen Techniken erlauben es, eine immense Menge an neuen Informationen zu gewinnen. Dadurch erfuhren wir von der Existenz von Mikroorganismen, die noch vollkommen unbekannt waren. Die kommerzielle Anwendung dieser Techniken ermöglicht es auch Privatpersonen, für relativ geringe Kosten ihr Darmmikrobiom analysieren zu lassen. Das wäre vor 30 Jahren noch vollkommen unvorstellbar gewesen!
Mikrobiome sind divers, kooperativ und effizient
Die Verknüpfung der revolutionären molekularbiologischen Methoden mit den Erkenntnissen über Mikrobiome, die schon lange bekannt waren und natürlich auch immer erweitert wurden, prägen das Bild, das wir heutzutage von Mikrobiomen haben. Zuvorderst blicken wir auf eine immense Biodiversität in Mikrobiomen. Eine Darmflora, eine Biogasanlage oder ein Sediment aus dem Wattenmeer können Hunderte bis Tausende Arten von Bakterien enthalten, und nur von den wenigsten wissen wir, worin ihre Funktion liegen könnte. Bei den Mitgliedern eines Mikrobioms, den einzelnen Bakterien, Pilzen, Mikroalgen oder tierischen Einzellern, denen wir auf dem heutigen Wissensstand eine Funktion zuordnen können, sehen wir sehr oft klare Anzeichen von gegenseitiger Abhängigkeit, und wir erkennen, dass sie innerhalb ihrer jeweiligen Mikrobiom-Gemeinschaft ausgesprochen kooperativ und arbeitsteilig tätig sind.
Wir sehen eine enge energetische und stoffliche Kopplung: Was bei einer Gruppe als Abfall anfällt, wird bei der nächsten Gruppe als Rohstoff verwendet. Wenn man nun die oben genannte Stabilität von vernetzten Mikrobiomen für globale Stoffkreisläufe miteinbezieht, dann ist es sehr wahrscheinlich, dass diese große Diversität dafür eine sehr wichtige Funktion hat.
Die effizient kooperierenden Netzwerke in Mikrobiomen sind durch Evolution entstanden; Mitglieder der Gemeinschaft, die nicht optimal in diesen Interaktionen mitspielen, können sich nicht im System halten. Viele Mitglieder haben aber auch sehr ähnliche Funktionen inne, was auf Konkurrenzkampf in Mikrobiomen hinweist. Um Konkurrenten zu unterdrücken, bilden viele Bakterien Antibiotika als chemische Waffen. Die Stabilität von Mikrobiomen zeigt allerdings an, dass die kooperative Ebene in der Regel stärker ist als alle Konkurrenz. Vermutlich ist gerade die Spezialisierung einzelner Mikroorganismen auf leicht unterschiedliche oder zum Teil überlappende Aufgaben ein Weg, Konkurrenzsituationen zu umgehen.
Mikrobiome können für die Entwicklung nachhaltiger Gesellschaften inspirieren
Die Omnipräsenz und die globale sowie individuelle Bedeutung von Mikrobiomen macht es unumgänglich, auch über die gesellschaftliche Dimension von Mikrobiomen nachzudenken. Geistes- und sozialwissenschaftliche Brücken zu Mikrobiomen lassen sich beispielsweise gut über die Konzepte von Bruno Latour knüpfen. So sind „Gaia“ bzw. die „kritische Zone“ solche Konzepte für die Umwelt, die in der Realität maßgeblich auf mikrobiellen Aktivitäten beruhen.
Gaia-Konzept: Konzept von Lynn Margulis und James Lovelock, welches die Erdoberfläche und die Erdatmosphäre zusammen mit allen Lebewesen (Biosphäre) als ein dynamisches, sich selbst organisierendes System betrachtet und von Latour oft aufgegriffen wurde. Kritische Zone: Nach Bruno Latour (französischer Geistes- und Sozialwissenschaftler, 1947-2022): „die kleine, einige Kilometer umfassende Zone zwischen Atmosphäre und Muttergestein“(Bruno Latour. Das terrestrische Manifest; 1. Aufl. edition suhrkamp). Helmholtz-Zentrums für Geoforschung (GFZ): „Die kritische Zone (CZ) ist die dünne Schicht zwischen der Oberfläche des unverwitterten Gesteins und der oberen Grenze der Vegetation, wo Schnee, Gestein, Boden, Wasser, Luft und Organismen zusammenwirken. Dieses lebenswichtige Ökosystem fungiert als „Haut“ der Erde. Es unterstützt die vielfältigen biologischen Gemeinschaften, die zur Gesundheit und Nachhaltigkeit unseres Planeten beitragen, und beherbergt einen Großteil der landwirtschaftlichen Produktion, der Wasser- und Energieressourcen unserer Gesellschaft.“
Was lässt sich von Mikrobiomen für die Entwicklung von nachhaltigen Gesellschaften lernen? Zwei Kerngedanken sollen hier aufgeführt werden.
- In Mikrobiomen führt eine große Diversität mit enger Kooperation und Spezialisierung zu stabilen Systemen, die auf Stoffkreisläufen mit hoher energetischer Effizienz beruhen. In der Gesellschaft können vielfältige Akteur*innen in einer zirkulären Wirtschaft stabile Systeme schaffen. Das Verständnis von Mikrobiomen fördert zudem das Bewusstsein, Abfälle immer als Rohstoffe zu verstehen. Es fördert auch das Bewusstsein, dass sich partnerschaftliches Verhalten auszahlt.
- Die Mitglieder eines Mikrobioms sind räumlich so zueinander angeordnet, dass die von ihnen geleisteten Prozesse optimal ineinander übergreifen, und sie sich mit den Aktivitäten in anderen Mikrobiomen vernetzen können. Dadurch können sie sich von der mikroskopischen Ebene bis zur globalen Ebene auswirken. In der Gesellschaft können dezentrale Verbünde in Industrie, Energieversorgung, Landwirtschaft oder Wohnsiedlungen, die regional Energie und Rohstoffe sparen bzw. recyclen, ebenso Auswirkungen bis weit über die regionale Ebene hinaus haben, indem sie sich vernetzen. Dies wirkt der häufigen Ausrede entgegen, für die nachhaltige Entwicklung könnten einzelne Personen wenig bewirken.
Auch wenn wir ständig sehr viel Neues über Mikrobiome lernen, so ist das Meiste immer noch eine Black Box. Es ist also auf der einen Seite sehr wichtig, Mikrobiome weiter zu erforschen inklusive ihrer Nutzbarmachung für nachhaltige Produktionsprozesse, Umweltschutz und Gesundheit. Gleichzeitig ist es sehr wichtig, interdisziplinäre Ansätze weiterzuentwickeln, um dieses Wissen auch für die sozialökologische Transformation nutzbar zu machen.
Autorinformationen
Dr. Bodo Philipp ist Professor für Mikrobielle Biotechnologie und Ökologie an der Universität Münster und Mitglied des ZIN-Vorstands. Sein Forschungsschwerpunkt ist der Stoffwechsel von Bakterien; derzeit steht der Abbau von synthetischen Verbindungen wie z.B. Pharmazeutika in Gewässern und Kläranlagen sowie auch der Abbau von Bioplastik im Kompost im Fokus.
Weiterführende Literatur
Lawson, Christopher E. (2021).Retooling Microbiome Engineering for a Sustainable Future. mSystems6:10.1128/msystems.00925-21.https://doi.org/10.1128/msystems.00925-21
McDonald, James E./Marchesi, Julian R./Koskella, Britt (2020). Application of ecological and evolutionary theory to microbiome community dynamics across systems. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 287 (1941), 20202886. https://doi.org/10.1098/rspb.2020.2886.
Microbes and Social Equity (o. J.). Who We Are. Online verfügbar unter https://microbesandsocialequity.com/about/who-we-are.html (abgerufen am 19.08.2026).
Microbiology Society (o. J.). Microbiome. Online verfügbar unter https://microbiologysociety.org/why-microbiology-matters/microbiome.html (abgerufen am 19.08.2026).
SIMBA (2019). The microbiome and the Sustainable Development Goals (SDGs). Online verfügbar unter https://simbaproject.eu/the-microbiome-and-the-sustainable-development-goals-sdgs/ (abgerufen am 19.08.2026).
Tomasulo, Antonietta/Simionati, Barbara/Facchin, Sonia (2024). Microbiome One Health model for a healthy ecosystem. Science of One Health 3, 100065. https://doi.org/10.1016/j.soh.2024.100065
