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Der Erdboden als CO2-Speicher Wie Bodenmikroben auf Klimawandel wirken

Autor / Redakteur: Dr. Katharina Baumeister* / Christian Lüttmann

Stehen wir auf der Lösung des Klimaproblems? Zumindest stellen natürliche Böden eine wichtige Speichermöglichkeit für Kohlenstoff dar. Dabei spielt es eine Rolle, wie diese komplexen Ökosysteme aufgebaut und wie die Mikroorganismen darin verteilt sind. Dies zeigt eine neue Studie eines internationalen Forscherteams mit Beteiligung der Universitäten München und Wien.

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Frau Prof. Koegel-Knabner mit Studierenden und Promovierenden bei der Bodenprobenentnahme im Freisinger Waldgebiet.
Frau Prof. Koegel-Knabner mit Studierenden und Promovierenden bei der Bodenprobenentnahme im Freisinger Waldgebiet.
(Bild: Astrid Eckert, TU München)

München, Wien/Österreich – Kohlenstoff ist wohl das wichtigste Element für alles Leben auf der Erde. Es zirkuliert im so genannten Kohlenstoffkreislauf zwischen Atmosphäre, Ozeanen und Ökosystemen an Land. Während sich ein Kohlenstoffatom in der Atmosphäre im Durchschnitt nur drei Jahre aufhält, bevor es durch pflanzliche Photosynthese gebunden und in Biomasse umgewandelt wird, verweilt es in Landökosystemen im Durchschnitt für 23 Jahre. Erst dann entweicht es durch mikrobielle Zersetzung toter Biomasse wieder als CO2 in die Atmosphäre.

Bei dieser mikrobiellen Zersetzung toter Biomasse verbleibt jedoch stets ein Teil des Kohlenstoffs im Boden, wo er dann für noch viel längere Zeiträume gebunden sein kann – in tieferen Bodenschichten schätzen Experten die Verweildauer auf hunderte bis einige tausend Jahre. Welche Mechanismen dafür verantwortlich sind, dass Kohlenstoff im Boden so effizient zurückgehalten wird, ist Gegenstand intensiver Forschung von Bodenwissenschaftlern weltweit. Schließlich könnte sich der Boden gezielt als Kohlenstoffsenke optimieren lassen, um den zunehmend problematischen CO2-Emissionen und somit der Erderwärmung entgegenzuwirken.

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Verteilungsfolgen im Erdreich

Ein neues Konzept der Kohlenstoffstabilisierung im Boden haben nun die Forscher aus dem Bereich der Bodenwissenschaften und der mathematischen Modellierung unter der Leitung von Johannes Lehmann von der Cornell Universität entwickelt. Ihr Ansatz berücksichtigt, dass sich das Leben von Bodenmikroorganismen auf kleinster Skala in einer hochkomplexen Umwelt abspielt. „Die Bedingungen im Boden ändern sich ständig“, sagt der Erstautor der aktuellen Studie. „Obwohl es viel Kohlenstoff gibt, verhungern Mikroorganismen, insbesondere wenn sie sich an sich ständig ändernde Bedingungen in einem Labyrinth anpassen müssen.“

Das komplexe Wechselspiel im Erdreich hat auch Folgen für die Kohlenstoffstabilisierung. „Wie viel Kohlenstoff von Mikroorganismen abgebaut oder in langfristig speicherbare Biomasse umgewandelt wird, hängt nicht nur davon ab, wie viel Kohlenstoff und wie viel Mikroorganismen sich in Summe im Boden befinden, sondern auch sehr stark von der Wahrscheinlichkeit, ob sich ein Mikroorganismus und eine organische Kohlenstoffverbindung auf der mikroskopisch kleinen Skala im Boden überhaupt treffen“, erklärt Ingrid Kögel-Knabner von der TUM. „Je ungleichmäßiger die räumliche Verteilung von Mikroorganismen und Kohlenstoff im Boden ist, desto größer ist die Chance, dass ein Kohlenstoffmolekül isoliert ist, und daher nicht abgebaut wird.“

Mikroben zwischen Konkurrenzkampf und Selbstorganisation

Darüber hinaus spielt die chemische Diversität von toter Biomasse im Boden eine große Rolle, da Mikroorganismen für jede Art von Molekül, das sie abbauen wollen, erst die dafür geeigneten Enzyme produzieren müssen. Wenn die abzubauenden Moleküle sehr verschieden sind und von jeder Molekülart dafür aber nur wenig vorhanden ist, zahlt es sich für Mikroorganismen mitunter nicht aus, in die Produktion von vielen verschiedenen Enzymen zu investieren, wovon jedes einzelne nicht viel Nutzen in Form von gewonnener Energie bringen kann. Wieviel eine Investition bringt, ist jedoch für eine Bodenmikrobe von großer Bedeutung, da sie in starkem Konkurrenzkampf mit vielen anderen Mikroorganismen steht.

Manchmal formen sich dadurch auch Allianzen zwischen Mikroorganismen, um Ressourcen gemeinsam besser in einer Gruppe aufschließen zu können. Diese vielfältigen Interaktionen zwischen Mikroorganismen können zu einer Art Selbstorganisation der mikrobiellen Gemeinschaft führen, die sich wiederum auf Kohlenstoffabbau und -speicherung auswirkt.

Böden verstehen und zu Kohlenstoffspeichern optimieren

Die sozialen Interaktionen der Bodenmikroorganismen beeinflussen entscheidend die Stoffkreisläufe im Boden. Das neue Konzept der Forschergruppe postuliert daher, dass die „funktionelle Komplexität“ des Bodens auch einen starken Einfluss auf die langfristige Stabilisierung von Kohlenstoff im Boden hat. Zu dieser funktionellen Komplexität gehört beispielsweise, wie sich Mikroben und abbaubare Kohlenstoffverbindungen räumlich verteilen und auch wie sich die Selbstorganisierungsfähigkeit des mikrobiellen Ökosystems darstellt.

Diese neue Betrachtungsweise könnte in Zukunft dazu beitragen, die Mechanismen der Speicherung von Kohlenstoff im Boden besser zu verstehen. Das wäre nicht nur für die Entwicklung genauerer Klimavorhersagemodelle von Bedeutung, sondern könnte helfen, klimarelevantes Bodenmanagement weiterzuentwickeln. So könnte eine gezielte Bewahrung der funktionellen Komplexität im Ökosystem Boden dafür sorgen, dass der Kohlenstoff noch langfristig darin gespeichert bleibt.

Originalpublikation: Johannes Lehmann, Colleen M. Hansel, Christina Kaiser, Markus Kleber, Kate Maher, Stefano Manzoni, Naoise Nunan, Markus Reichstein, Joshua P. Schimel, Margaret S. Torn, William R. Wieder, Ingrid Kögel-Knabner: Persistence of soil organic carbon caused by functional complexity, Nature Geoscience 13, pages 529–534 (2020). DOI: 10.1038/s41561-020-0612-3

* Dr. K. Baumeister, Technische Universität München, 85748 Garching b. München

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