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Vom Mikrokosmos zum Klimawandel

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​​​​​Unsichtbar sitzen sie im Boden, an organischem Material, an Wurzeln und Pflanzenblättern. Millionen von Mikroorganismen bevölkern jeden Krümel Erde und jeden Quadratmillimeter pflanzlicher Oberfläche. Bakterien, Pilze und Hefen sind die wichtigsten Organismen dieses Mikrokosmos, der zunehmend in den Fokus der Forschung tritt. Denn die kleinsten Bewohner unseres Planeten haben ungeahnt großen Einfluss, zum Beispiel auf unser Klima.​

Wenn Dr. Steffen Kolb von »Senken und Quellen« spricht, meint er damit nicht die geografische Form des Geländes oder den Ursprung eines Gewässers. Eine Senke, so erklärt Kolb, ist immer dort, wo ein Stoff gespeichert oder verbraucht wird – etwa Kohlendioxid in Moor- und Waldböden. Eine Quelle ist genau das Gegenteil. Ein Milchviehbetrieb zum Beispiel ist eine Methanquelle, denn in den Mägen der Kühe entstehen große Mengen des Gases. Es ist längst bekannt, dass Methan den Klimawandel antreibt. Es ist das zweitwichtigste Treibhausgas, obwohl sein Anteil an der Atmosphäre weniger als 0,002 Prozent beträgt. Doch die Verbindung trägt zu etwa 17 Prozent zum Klimawandel bei und ist damit rund 27-mal so wirksam wie Kohlendioxid.​

 

Treibhausgas und Wolkenbildner

Methan ist nur eines von tausenden sogenannten Spurengasen in der Atmosphäre. Das Verblüffende: Bisher ist wenig über ihre Wirkung bekannt. Einige regen die Wolkenbildung an und andere sind am Ozonaufbau und am Klimawandel beteiligt. Doch wie die Gase entstehen, wie sie innerhalb der Stoffkreisläufe umgewandelt und schließlich wieder abgebaut werden – viele dieser Fragen sind heute noch offen. Klar ist bisher nur eines: Mikroorganismen, die im Boden und auf Pflanzen leben, spielen dabei eine zentrale Rolle.

Steffen Kolb nimmt genau diese Organismen genauer unter die Lupe. Bakterien und Pflanzen betrachtet er dabei nicht als getrennte Systeme. Für ihn bilden diese Lebewesen enge Gemeinschaften, die voneinander abhängen und sich gegenseitig beeinflussen. »Symbiome« nennt er sie. Während die Pflanze etwa flüchtige Verbindungen über ihre Blätter ausscheidet, nutzen die darauf sitzenden Mikroorganismen genau diese Substanzen, um sich von ihnen zu ernähren. Im Gegenzug liefern sie der Pflanze Wasser und Nährstoffe. 

Kolb und andere Forschende sind sich sicher: Die Landnutzung durch den Menschen beeinflusst diese Gemeinschaft von Pflanze und Mikroorganismen signifikant − und damit auch die Freisetzung von Spurengasen. Düngung, Bodenbearbeitung, Fruchtwechsel, aber auch das Wetter oder die Art der Bewässerung – es gibt zahlreiche Faktoren, die darüber entscheiden, ob das genutzte Land Quelle oder Senke für bestimmte Spurengase ist. »Auf einem Ackerfeld ist die Bilanz anders als in einem Wald«, sagt Kolb. Eine Maismonokultur beherbergt andere Mikroorganismen als eine Buche in einem intakten Wald. Und selbst ein Kiefernwald ist nicht mit einem Buchenwald zu vergleichen, wenn es um die Stoffbilanz der Gase geht. 

Welche Gase in welchen Konzentrationen unterschiedliche Kulturpflanzen und ihre winzigen Lebenspartner bilden, untersucht Kolb mit seinem Team unter anderem mithilfe von zylinderförmigen Behältern, sogenannten Inkubationskammern, die im hauseigenen Gewächshaus des Leibniz-Zentrums für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. stehen. In diesen luftdicht verschließbaren Röhren, in denen einzelne Pflanzen unter kontrollierten Bedingungen wachsen, können Gase gezielt zu- und abgeführt werden. So lässt sich genau analysieren, welche Emissionen zum Beispiel während des Wachstums entstehen.

 

Unterschätzte Partnerschaft

Um diese Beobachtungen auch in größerem Maßstab und für ganze Agrarökosysteme durchzuführen, arbeiten die Forschenden im Freiland mit sogenannten Gashauben. Die bis zu vier Meter hohen Konstrukte aus transparentem Plastik stülpen sie über die Kulturpflanzen und messen die Gaskonzentrationen im Inneren. So erhalten sie Daten über den gesamten Jahresverlauf und können errechnen, in welcher Jahreszeit oder mit welchen Kulturpflanzen besonders viele Treibhausgase wie Methan, Lachgas oder Kohlendioxid gebildet oder eben verbraucht werden. 

Kolb und sein Team wollen aber nicht nur messen, sondern auch die biologischen Treiber dieser Prozesse verstehen – nämlich jene Systeme, die er als »Symbiome« bezeichnet: die ökologische Einheit zwischen Pflanze und Mikroorganismen. Dabei stehen sie vor einer schier unfassbaren Vielfalt: »In einem Gramm Boden sind locker 20.000 verschiedene Mikroorganismenarten «, erklärt er. Bei deren Analyse hilft die Molekularbiologie: Aus Bodenund Pflanzenproben bestimmen die Forschenden nicht nur, welche Arten von Bakterien, Pilzen, Hefen und Pflanzen vorkommen. Mit ausgeklügelten Methoden spüren sie in Laborversuchen auch auf, welche Organsimen welche Gase nutzen oder bilden und ob Stress wie Hitze oder Trockenheit die Emissionsmuster verändern. 

»Zwischen Pflanzen und Mikroorganismen gibt es Interaktionen, die wir völlig unterschätzen«, betont Kolb. Der Forschungsbedarf ist entsprechend groß – zumal das empfindliche Gleichgewicht der Atmosphäre von diesen Wechselwirkungen bestimmt wird. »Wir beeinflussen dieses System ständig, ohne genau zu wissen, wie sich das auswirkt«, mahnt der Forscher. Seine Forschung im »Kleinen« ist ein wichtiges Puzzleteil für die Lösung großer Fragen. So wichtig sogar, dass noch in diesem Jahr am ZALF mit dem Bau des »Hauses der Kulturbiomforschung« begonnen wird, um die Lebensgemeinschaften von Kulturpflanzen und Mikroorganismen in Zukunft noch besser zu verstehen.

 

Text: Heike Kampe

 

​Infomaterial und weiterführende Informationen:

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© Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. Müncheberg