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Thermodesorptions-GC/MS Thermodesorptions-GC/MS enträtselt Naturphänomen in der Namib-Wüste

Autor / Redakteur: Guido Deußing / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Naturphänomene haben seit jeher die Phantasie von Naturwissenschaftlern angeregt. Die so genannten Feenkreise in der afrikanischen Wüste Namib wurden jetzt mit analytischen Methoden untersucht und eine neue Theorie für ihre Entstehung aufgestellt.

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Südafrikanische Wissenschaftler haben die so genannten Feenkreise in der Namibwüste mit der Thermodesorptions-GC/MS untersucht.
Südafrikanische Wissenschaftler haben die so genannten Feenkreise in der Namibwüste mit der Thermodesorptions-GC/MS untersucht.
(Bild: Guido Deußing)

Es ist heiß in der Namib, und kalt. Das Quecksilber überschreitet am Tage mancherorts die 50°C-Marke und sinkt in der Nacht unter den Gefrierpunkt. Die Trockenheit in der kargen, von Gras durchzogenen Wüstenlandschaft ist namenlos. Wenn die Sonne über dem afrikanischen Kontinent aufgeht, lässt sie nicht alleine die Temperatur in der Wüste hochschnellen. Sie wirft dabei auch ihr Licht auf das von Mythen und Märchen umwobene Rätsel der Feenkreise, die sich zu Tausenden in die Weite der Namib erstrecken, Kreis neben Kreis, und dem Wüstenboden das Antlitz einer pockennarbigen sandfarbenen Haut verleihen. Ihre Gleichförmigkeit, Menge und Anordnung regten zu allen Zeiten die Phantasie des Menschen an. In den Erzählungen der Himba, einem in Nordnamibia halbnomadisch lebenden Volk, ist von einem Drachen die Rede, der im Wüstenboden haust und Feuer atmet, das in heißen Blasen an die Oberfläche steigt und den Boden kreisrund versengt.

Die Beschreibung ist naiv wie vieles Folkloristische; dennoch erweist sie sich bei genauem Hinsehen näher an der Wahrheit, als jene Erklärungen, die Wissenschaftler in den 1970- und 1980-Jahren fanden und an denen manch kluger Kopf noch heute festhält: Demnach sind Feenkreise die Hinterlassenschaft kleiner Termiten, die auf ihrer Futtersuche kreisrunde Löcher in den kargen Rasen fressen. Andere Experten verdächtigen Ameisen, die den Boden in geometrisch korrekter Form von Grassamen befreiten und damit für eine punktuelle, zirkulare Vegetationslosigkeit sorgten [1].

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„Dem ist nicht so“, sind sich Wissenschaftler der Universität Pretoria in Südafrika sicher. Statt sich auf Spekulationen zu stützen, machten sich die Chemiker Yvette Naudé und Egmont Rohwer vom Fachbereich Chemie und ihre Kollegin Gretel van Rooyen vom Fachbereich Botanik auf den Weg in die Namib, um mit den Mitteln der instrumentellen chemischen Analyse an einer naturwissenschaftlich korrekten, nachvollziehbaren Aufklärung des Phänomens der Feenkreise zu arbeiten. Die Erkenntnisse ihrer Forschung lassen erstmals einen wirklich ernstzunehmenden Rückschluss auf die, so viel scheint sicher, wahren, natürlichen und mit geochemischen Prozessen zu erklärenden Ursachen zu [2].

Und der Boden in der Namib atmet doch

Der erste Schritt, den Naudé und Kollegen vor Ort in der Wüste vollzogen, war die optische Bestandsaufnahme, ähnlich der, die Kriminalbeamte an einem Tatort vornehmen: Feenkreise sind runde, vegetationsfreie beziehungsweise von noch lebender (vergilbender) oder abgestorbener (vergilbter) Vegetation bestückte Bodenareale. Gesäumt sind sie in der Regel von vergleichsweise üppiger Vegetation. „Keines der vergilbten Gräser im Kreisinnern wies Spuren der Fresswerkzeuge von Termiten auf“, schildert Yvette Naudé ihre Beobachtungen. Und die Tatsache, dass sich im inneren Zirkel auch noch tote sowie lebende Vegetation vorfinden ließe, gebe Grund zu der Annahme, mutmaßt die Wissenschaftlerin, dass man es hier mit einem Feenkreis zu tun habe, der sich in der Entstehung befinde.

Die teils üppige Vegetation am Rand der Feenkreise, bringt eine weitere Annahme ins Spiel, nämlich die der allelopathischen Verbindungen, die u.a. manche Pflanze abzusondern in der Lage ist, um eine andere Vegetationsform zu schädigen, die ihr den Lebensraum streitig macht.

Sind die Pflanzen im vegetationsüppigen Randbereich der Feenkreis dazu in der Lage? Diese Überlegung, scheint bei einer oberflächlichen Betrachtung zunächst einmal denkbar und möglich. Anbauversuche bewiesen jedoch, dass Allelopathie keine Rolle spielte. Außerdem bilden sich Feenkreise auch in per se völlig vegetationsfreien, sandigen Arealen: „Der Sandboden in diesen Feenkreisen sieht erschüttert und aufgewühlt aus“, schildern die Forscher, „ähnlich den Kratern, die man auf dem Meeresboden entdeckt hat und die von aus dem Erdreich aufsteigenden Gasblasen herrühren.“ Ausgehend von diesem kausalen Zusammenhang formulierten Yvette Naudé und Kollegen eine Hypothese, nach der Gase und Flüssigkeiten geologischen Ursprungs bei der Entstehung der Feenkreise eine Rolle spielen.

Gaszusammensetzung im Erdreich wurde bestimmt

Die Wissenschaftler starteten ihre Untersuchungen damit, in ausgewählten Feenkreisen sowie im Bereich dazwischen, also dem Erdreich ohne botanische Anomalie durch Einbringen geeigneter Trichter die Gaszusammensetzung im Boden zu bestimmen. Im Tagesverlauf wurde mittels eines tragbaren Gasanalysators mehrfach der Gehalt an Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (O2), Schwefelwasserstoff (H2S) sowie Stickstoffdioxid (NO2) bestimmt. Die Gasanalyse erlaube etliche Aussagen hinsichtlich der Bodenchemie, berichtet Yvette Naudé. CO etwa lasse Rückschlüsse auf das Vorhandensein von Erdgas zu. Erdgas erweist sich zwar nicht als Pflanzengift, jedoch als ein wichtiger Stressfaktor für die Vegetation. Es habe sich nämlich gezeigt, dass Kohlenwasserstoffe die Tätigkeit von oxidierenden wie auch beispielsweise Schwefel reduzierenden Bakterien steigert, welche den Sauerstoffgehalt im Boden reduzieren. „Unabhängig davon, dass der Sauerstoffgehalt im Boden der Feenkreise periodisch sinkt, kann der Auftrieb von Gasen zu einer vermehrten Bildung organischer Säuren führen, die wiederum den pH-Wert des Bodens und damit die Verfügbarkeit von Mineralstoffen, die für das Pflanzenwachstum notwendig sind, beeinflussen“, beschreibt Naudé das Phänomen.

Thermodesorptions-GC/MS von Bodenproben

Um sich ein genaueres Bild von der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffverbindungen im Erdreich der Feenkreise zu machen, bedienten sich die Wissenschaftler der Thermodesorption (Gerstel-TDS) in Verbindung mit der GC/MS. Vorteil dieser Methode: „Sie ist kostengünstig, einfach und ungefährlich in der Umsetzung, weil sie ohne toxische organische Lösungsmittel auskommt“, freut sich Yvette Naudé. Zudem benötigt die Thermodesorptions-GC/MS viel kleinerer Probenmengen, als es zum Beispiel bei der Soxhlet-Extraktion der Fall ist, die typischerweise zur Isolierung und Analyse von Kohlenwasserstoffen aus Böden genutzt wird. Die Wissenschaftler entnahmen an ausgewählten Stellen Bodenproben; jeweils 40 g wurden in ein vorbereitetes Glasvial gefüllt. Hinzu gaben sie als Extraktionsmedium zunächst den mit Polydimethylsiloxan ummantelten Gerstel-Twister. Die Vials wurden verschlossen und für die Dauer von 50 min auf 50 °C erwärmt. Als die Wissenschaftler die Rührstäbchen der Probe entnahmen, hafteten deutlich sichtbar an dessen Ende magnetische Partikel, ein weiterer Hinweis zur Bestätigung der Theorie einer Mikroversickerung von Kohlenwasserstoffverbindungen im Boden.

Um eine Störung der Thermodesorptions-GC/MS durch magnetische Partikel zu unterbinden, setzte Naudé anschließend etwa 10 cm lange PDMS-Schläuche als Extraktionsmedium ein, überschütteten diese im Vial mit der Bodenprobe, die sie sodann temperierten. Im Anschluss daran wurden die Schläuche der Probe entnommen, in den Glasliner eines Thermaldesorptionsystems (TDS) überführt, in dem die thermische Desorption der extrahierten organischen Analyten vollzogen wurde. Sie wurden im Kaltaufgabesystem (KAS) cryofokussiert und temperaturprogrammiert auf die GC-Säule überführt, aufgetrennt und massenselektiv detektiert. Auch die hierbei erzielten Resultate stützen die Hypothese der Wissenschaftler: „Wir detektierten Alkene, mikrobiologische Abbauprodukte von Alkanen. Größere Alkengehalte im Boden aus dem Zentrum der Feenkreis, kleinere in der Matrix, also im Boden ohne geobotanische Anomalie.“ Das wiederum zeuge von einer hohen mikrobiellen Aktivität im Boden. Zudem ließe das Verhältnis von Alkan- und Alkengehalt Rückschlüsse auf die Aktivität des Feenkreises zu: Größere lassen auf einen kürzlich aktiven Kreis schließen. „Unsere Ergebnisse stützen die Theorien über Termiten nicht“, bringt es Naudé auf den Punkt.

Literatur

[1] Basic and Applied Dryland Research 1, 2 (2007), 121-137.

[2] Journal of Arid Environments 75, 5 (2011) 446-456.

* G. Deußing: Presse Text Kommunikation, 41644 Neuss

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