Exploring environmental impacts on microbial biodiversity along the Rhine River
A pilot study will investigate undetermined microbial diversity, the impacts of pollutants, and antibiotic resistance along the Rhine River as part of a wider effort to assess the condition of ecosystems in and along European waterways
The Rhine River is one of Europe’s longest rivers, crossing six Central European countries before reaching the North Sea. Along its length, it harbours a vast amount of invisible life in the form of microbial ecosystems. Can we identify the hidden biodiversity within these communities? How do external factors affect the smallest life forms along such European waterways? And what can microbes tell us about the state of ecosystems in general?
These are some of the questions that form part of a new EMBL-led pilot project. Scientists will investigate biodiversity and ecosystems of the Rhine, its tributaries, and lakes in its surroundings in Rhineland-Palatinate, focusing on microbiomes in pristine and polluted, riverine, terrestrial and lacustrine ecosystems along the river.
No organism or community exists in isolation. Instead, they form complex networks through interactions with other life forms and their specific habitat environments. Therefore, a comprehensive understanding of the intricate web of interactions between microbes, macroscopic life, and geochemical processes is crucial.
The pilot study will examine microbial biodiversity and the effects that changes in the environment – for example, through human impact such as pollution – have on microbial ecosystems. EMBL researchers will analyse soils, sediments, and waters to explore the metagenome – the combined genetic material of all organisms in a given environment – and the prevalence of antibiotic resistance genes. This will help to identify which types of species are present to what extent, and how antibiotic resistance is spreading between different ecosystems.
The team will also investigate the presence of pollutants, such as pesticides, synthetic hormones, pharmaceuticals, microplastics and ‘forever chemicals’ PFAS, to map their effects on biodiversity and ecosystems. Additionally, these studies will contribute to the assessment of microbial activity that might help to degrade such substances.
In Rhineland-Palatinate, the interdisciplinary expeditions team will sample at seven sites. Using high-resolution molecular methods, they can subsequently study microbial life – the foundation of many ecological processes – at an unprecedented level of detail. To track long-term changes in water and soil quality, the team is establishing systematic time series. This approach allows for early detection of subtle ecological declines and the future development of targeted measures to counteract them.
“Using cutting-edge biomolecular technologies (multi-omics), we aim to work with EMBL to capture the complex effects of various pollutants on biodiversity and ecosystems in the Rhine,” said Climate Protection Minister of Rhineland-Palatinate Katrin Eder. “Our goal is to understand exactly what happens at the microbial level so that protective measures can be tailored in a more targeted and evidence-based way – embedded within a European scientific framework. We are confident that this approach will also reveal microbial activities that contribute to the breakdown of pollutants. From biodiversity to drinking water production – life unfolds along the river, and everyone benefits from a healthy Rhine ecosystem.”
Research without borders: the Rhine as part of a European network
The project exemplifies EMBL’s broader vision of understanding life in context through molecular approaches, and is part of the pan-European Traversing Ecosystems (TREC) initiative. Following the successful completion of sampling along Europe’s coastlines in 2023 and 2024, EMBL is now expanding its expedition to include freshwater systems with the aim of creating a comprehensive map of ecosystems on a cross-regional scale. Through standardised approaches in sampling and analysis, results can be placed in a continent-wide context, thereby strengthening Europe’s capacity to monitor and protect its ecosystems across borders.
“We are grateful to receive direct support from the Ministry for Climate Protection, Environment, Energy and Mobility of Rhineland-Palatinate for this work on the Rhine,” said Peer Bork, EMBL Interim Director General and Scientific Director of TREC. “As for our European coastlines expedition, close collaboration with partners continues to be at the heart of our efforts to explore and understand biodiversity and ecosystems at the molecular and cellular level.”
The pilot project was officially kicked off with a short ceremony, including the official handover of the grant agreement in Worms on 31 October 2025. This was followed by the collection of the first set of samples.
Bork added: “We want to rapidly translate the latest insights that fundamental research delivers into real-life applications. EMBL provides data-driven intelligence on highly relevant environmental aspects such as pollution and antimicrobial resistance, which can support decision-makers in taking evidence-based action. With this pilot study, EMBL is laying the foundation for future cross-European research expeditions on freshwater ecosystems and their societal application.”
EMBL’s efforts to expand pioneering expedition-based research into freshwater ecosystems receive support from the Klaus Tschira Stiftung. The pilot project in Rhineland-Palatinate is supported by the Ministry for Climate Protection, Environment, Energy and Mobility through the project “Nutzung von Mikroben für den Umweltschutz und für die Zukunftsfähigkeit des Lebens im Rheingebiet von Rheinland-Pfalz”.
Erforschung von Umwelteinflüssen auf die mikrobielle Biodiversität entlang des Rheins
Eine neue Pilotstudie untersucht die bislang unerforschte mikrobielle Vielfalt, die Auswirkungen von Schadstoffen und das Vorkommen von Antibiotikaresistenzen entlang des Rheins mit dem Ziel, den Zustand von Ökosystemen in und entlang europäischer Wasserwege besser zu verstehen und langfristig zu bewerten.
Der Rhein ist einer der längsten Flüsse Europas und fließt durch sechs zentraleuropäische Länder, bevor er in die Nordsee mündet. Entlang seines Verlaufs beherbergt er eine enorme, meist unsichtbare Vielfalt an mikrobiellen Lebensgemeinschaften.
Welche verborgene Biodiversität steckt in diesen Mikroben-Gemeinschaften? Wie wirken sich äußere Einflüsse auf diese kleinsten Lebensformen in europäischen Gewässern aus? Und was können Mikroben über den Zustand unserer Ökosysteme verraten?
Diesen Fragen geht ein neues, vom EMBL geleitetes Pilotprojekt nach. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen Biodiversität und Ökosysteme des Rheins, seiner Nebenflüsse und umliegender Seen in Rheinland-Pfalz. Der Fokus liegt auf den Mikrobiomen in Gewässern und dem diese umgebenden Erdreich in Gegenden mit unterschiedlich hoher Belastung durch menschliche Aktivitäten.
Organismen und Lebensgemeinschaften existieren nicht in Isolation. Im Gegenteil: sie sind vielmehr Teil komplexer Netzwerke aus biologischen Wechselwirkungen und Umweltfaktoren. Ein umfassendes Verständnis dieser komplexen Verflechtungen zwischen Mikroben, größeren Organismen und geochemischen Prozessen ist entscheidend, um ökologische Zusammenhänge zu verstehen.
Die Pilotstudie untersucht daher die mikrobielle Biodiversität sowie die Auswirkungen von Umweltveränderungen – etwa durch Verschmutzung – auf mikrobielle Ökosysteme. Forschende des EMBL analysieren Boden-, Sediment- und Wasserproben, um das Metagenom – also das gesamte genetische Material aller Organismen in einer Umweltprobe – zu entschlüsseln und das Vorkommen von Antibiotikaresistenzgenen zu bestimmen. So kann erfasst werden, welche Arten vorkommen, in welcher Häufigkeit, und wie sich Resistenzen zwischen verschiedenen Ökosystemen verbreiten.
Darüber hinaus werden Schadstoffe wie Pestizide, synthetische Hormone, Arzneimittelrückstände, Mikroplastik und sogenannte „Forever Chemicals“ (PFAS) identifiziert, um ihre Auswirkungen auf Biodiversität und Ökosysteme zu kartieren. Die Untersuchungen tragen auch zur Bewertung mikrobieller Aktivitäten bei, die potenziell zum Abbau solcher Substanzen beitragen können.
In Rheinland-Pfalz wird das interdisziplinäre Expeditionsteam an insgesamt sieben Standorten Proben entnehmen. Mithilfe modernster Technologien, können die Forschenden das mikrobielle Leben – die Grundlage vieler ökologischer Prozesse – mit bisher unerreichter Präzision untersuchen. Um langfristige Veränderungen in der Wasser- und Bodenqualität zu erkennen, werden systematische Zeitreihen eingerichtet. Diese ermöglichen die frühzeitige Erkennung schleichender ökologischer Veränderungen und die Entwicklung gezielter Gegenmaßnahmen.
„Mit Hilfe modernster biomolekularer Technologien (Multinomics) möchten wir mit dem EMBL die komplexen Einflüsse verschiedenster Schadstoffe auf die Biodiversität und die Ökosysteme am Rhein erfassen“, sagte Klimaschutzministerin des Landes Rheinland-Pfalz, Katrin Eder. „Unser Ziel ist es, genau zu verstehen, was auf mikrobieller Ebene geschieht, damit wir Schutzmaßnahmen noch gezielter und wissensbasiert anpassen können – eingebettet in einen europäischen Wissenschaftsrahmen. Wir sind zuversichtlich, dabei auch mikrobiellen Aktivitäten zu begegnen, die zum Abbau von Schadstoffen beitragen können. Von der Artenvielfalt bis zur Trinkwassergewinnung – das Leben spielt sich am Fluss ab und so profitieren alle von einem gesunden Ökosystem Rhein.“
Forschung ohne Grenzen: Der Rhein als Teil eines europäischen Netzwerks
Das Projekt steht exemplarisch für die Vision des EMBL, das Leben im Kontext zu verstehen – durch molekulare Ansätze und internationale Zusammenarbeit – und ist Teil der gesamteuropäischen Traversing Ecosystems (TREC)-Initiative. Nach erfolgreichen Probenahmen entlang der europäischen Küsten in den Jahren 2023 und 2024 erweitert das EMBL seine Expedition nun auf Binnengewässer, um eine umfassende Karte europäischer Ökosysteme zu erstellen. Durch standardisierte Probenahmen und Analysen können die Ergebnisse europaweit verglichen werden. So wird die Fähigkeit Europas gestärkt, Ökosysteme grenzüberschreitend zu untersuchen und zu schützen.
„Wir freuen uns sehr über die direkte Unterstützung durch das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie und Mobilität Rheinland-Pfalz für diese Arbeiten am Rhein“, sagte Prof. Peer Bork, Interim Generaldirektor des EMBL und wissenschaftlicher Direktor der TREC-Initiative. „Wie schon bei unserer europäischen Küstenexpedition steht auch hier die enge Zusammenarbeit mit unseren Partnern im Zentrum unserer Bemühungen, Biodiversität und Ökosysteme auf molekularer und zellulärer Ebene zu verstehen.“
Das Pilotprojekt wurde am 31. Oktober 2025 in Worms mit einer Zeremonie zur Übergabe des Zuwendungsvertrags offiziell gestartet. Im Anschluss erfolgten Probenentnahmen direkt vor Ort.
Bork ergänzte: „Wir möchten neueste Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung rasch in praxisrelevante Anwendungen überführen. Das EMBL liefert datenbasierte Erkenntnisse zu zentralen Umweltaspekten wie Verschmutzung und antimikrobieller Resistenz, die Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträgern helfen können, wissenschaftlich fundierte Maßnahmen zu ergreifen. Mit dieser Pilotstudie legt das EMBL den Grundstein für zukünftige europaweite Expeditionen zu Süßwasserökosystemen – Forschung mit hoher gesellschaftlicher Relevanz.“
Die Erweiterung der EMBL-Expeditionsforschung auf Süßwasserökosysteme wird von der Klaus Tschira Stiftung unterstützt. Das Pilotprojekt in Rheinland-Pfalz wird durch das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie und Mobilität Rheinland-Pfalz im Rahmen des Projekts „Nutzung von Mikroben für den Umweltschutz und für die Zukunftsfähigkeit des Lebens im Rheingebiet von Rheinland-Pfalz“ gefördert.
