"Unangepasste" Mikroorganismen sind gut für das Klima

Wie Böden auf Erwärmung reagieren

Bodenmikroorganismen sind für den Abbau von organischem Material zu Kohlendioxid verantwortlich und kontrollieren damit die CO2-Emissionen in die Atmosphäre. Denn selbst eine geringe Umverteilung von Kohlenstoff aus Böden in die Atmosphäre könnte die Klimaerwärmung beschleunigen. Wie Böden im Klimawandel reagieren, untersucht ein Team um den Ökologen Andreas Richter von der Universität Wien. Die ForscherInnen fanden nun heraus, dass mit der Verringerung des Kohlenstoffgehalts im Boden auch die Menge an Mikroorganismen abnimmt – ein Mechanismus, der den Verlust von Kohlenstoff aus den Böden begrenzen könnte.

Das mit Abstand größte Reservoir an organischem Material liegt unter unseren Füßen. Im Boden enthalten ist mehr als das Dreifache des Kohlenstoffs, der derzeit in der Atmosphäre als Kohlendioxid vorhanden ist. Selbst eine geringe Umverteilung von Kohlenstoff aus Böden in die Atmosphäre könnte somit zu einer Beschleunigung der Erwärmung führen. Die Frage, ob diese in einem zukünftigen Klima zu einer Kohlenstoffquelle werden oder nicht, ist daher ganz zentral für unser Verständnis der globalen Klimaerwärmung.

In den letzten beiden Jahrzehnten wurde daher eine Vielzahl von Experimenten durchgeführt, um die Reaktion von Mikroorganismen auf Erwärmung besser zu verstehen. Ungeachtet dessen bleibt sie weiter häufig schlecht vorhersagbar. Das liegt einerseits daran, dass die meisten Experimente nur wenige Monate bis Jahre liefen, also in zu knappen Zeiträumen für aussagekräftige Klimafolgenforschung. Andererseits waren die Reaktionen der Mikroorganismengemeinschaften aber auch oft kurzlebig. In diesem Fall sprechen WissenschafterInnen von einer Akklimatisierung der Erwärmungseffekte: Dabei geht man davon aus, dass sich Mikroorganismen nach kurzer Zeit an höhere Temperaturen gewöhnen würden, und in der Folge ihre Physiologie und ihren Stoffwechsel so umstellen, dass sie nicht mehr CO2 produzieren als bei geringeren Temperaturen. 

In der neuen Studie konnten die WissenschafterInnen um Andreas Richter vom Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien ein natürliches Erwärmungsexperiment nutzen, das schon seit mehr als 50 Jahren läuft, also so lange wie bisher kein anderes Experiment weltweit. "In Island hatten wir Zugang zu Böden, die aufgrund von geothermaler Aktivität in Form von heißen Quellen erwärmt sind. Wir untersuchten dort, wie sich Erwärmung langfristig auf die Aktivität und Zusammensetzung der Mikroorganismen¬gemeinschaften auswirken", sagt Tom Walker, Senior Researcher an der Universität Lausanne und früherer PostDoc am Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien.

Fazit: Nach längerer Erwärmung waren etwa 40 Prozent des gesamten Kohlenstoffs des Oberbodens als CO2 verloren gegangen. Es zeigte sich aber auch, dass die Mikroorganismen langfristig offenbar völlig akklimatisiert waren, also keine Unterschiede mehr zwischen Kontrollböden und Böden, die bis zu 6°C über den Normalbedingungen lagen, bestanden. "Während die Verluste an Boden-Kohlenstoff drastisch waren, war die Anpassung der Mikroorganismen nicht ganz überraschend", sagt Andreas Richter.

Erstaunlich war hingegen für die ForscherInnen, dass es keine physiologische oder metabolische Anpassung an höhere Temperaturen oder Veränderung der Zusammensetzung der Mikroorganismen-gemeinschaft gab, wie in der wissenschaftlichen Literatur immer wieder diskutiert wird. "Wir fanden heraus, dass die Mikroorganismen auch nach mehr als 50 Jahren Erwärmung noch immer schneller Kohlenstoff abbauten als bei Normaltemperaturen: Sie passen sich also nicht an höhere Temperaturen an. Was wir aber auch herausfanden war, dass sich in erwärmten Böden viel weniger Mikroorganismen finden. Offensichtlich nimmt mit der Verringerung des Kohlenstoffgehalts im Boden auch die Menge an Mikroorganismen ab", so Richter. 

Die WissenschafterInnen erstellten ein neues, umfassendes Konzept für die Auswirkung von Erwärmung auf Bodenmikroorganismen. "Wir wollten mit einem entsprechenden mathematischen Modell nachvollziehen, was wir in der Natur beobachtet haben: Ob sich also auch dann ein neues Gleichgewicht einstellt, wenn sich die Aktivität der Mikroorganismen nicht ändert und weitere Verluste von Kohlenstoff aus den Böden vermieden werden", beschreibt Christina Kaiser, Gruppenleiterin am Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung: "Unsere Modellvorstellungen stimmen sehr gut mit den Beobachtungen überein und unser Konzept stellt damit einen großen Schritt zu einem besseren Verständnis der Rückkoppelungen von Böden auf die Klimaerwärmung dar".

"Die gute Nachricht ist: Es gibt einen Mechanismus, der einen perpetuierten Verlust von Kohlenstoff aus den Böden verhindert – wenn die Menschheit die weitere Erwärmung des Klimas rasch in den Griff bekommt", schließt Richter. Andernfalls würde es natürlich weiter zu einer Umverteilung von Kohlenstoff aus den Böden in die Atmosphäre kommen.

Publikation in "Nature Climate Change":
Tom W. N. Walker, Christina Kaiser, Florian Strasser, Craig W. Herbold, Niki I. W. Leblans, Dagmar Woebken, Ivan A. Janssens, Bjarni D. Sigurdsson and Andreas Richter. In: Nature Climate Change
Doi: 10.1038/s41558-018-0259-x

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