Mikroorganismen: Artenvielfalt im Boden

Böden beherbergen die größte Artenvielfalt an Mikroorganismen weltweit: Bakterien und Archaea, Pilze und Protisten. Diese Vielfalt stellt sicher, dass mikrobielle Prozesse in den verschiedenen Stoffkreisläufen bei unterschiedlichen Umweltbedingungen stattfinden können – unter verschiedenen Bedingungen springen jeweils andere Mikroorganismen ein, so dass der Prozess selbst kontinuierlich abläuft.

Warum ist diese Vielfalt wichtig für uns?

Vielfältige Bodenmikroorganismen sind für uns Menschen in vielerlei Hinsicht wichtig. Sie tragen zur Aufnahme oder Abgabe von Treibhausgasen bei, die bei der Klimaerwärmung eine Rolle spielen, wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Distickstoffmonoxid (N2O) und Methan (CH4). Sie bauen Schadstoffe und Pestizide ab. Und sie unterstützen Pflanzen bei der Aufnahme von Nährstoffen und der Abwehr von Krankheitserregern – damit kann die mikrobielle Artenvielfalt auch für die Landwirtschaft von großem Nutzen sein.

Bedrohungen der Artenvielfalt im Boden

Doch die Landwirtschaft stellt auch eine Gefahr für die Bodenmikroben dar. Der exzessive Einsatz von Stickstoffdünger kann die Artenzusammensetzung im Boden verändern und die Artenvielfalt verringern. Monokulturen beeinflussen ebenfalls die Artenvielfalt unter der Erde, da Pflanzen und Mikroorganismen in Gemeinschaft leben (dieses "Gesamtlebewesen" wird auch Holobiont genannt). Leider ist unser Wissen über Mikroorganismen in der Umwelt noch immer sehr eingeschränkt: So ist es schwierig, genau vorherzusagen, wie sie auf Umweltveränderungen zum Beispiel durch den Klimawandel reagieren werden.

Wie kommt nun diese große Artenvielfalt in Böden zustande?

Um zu verstehen, warum es überhaupt so viele verschiedene Bodenmikroorganismen gibt, muss man sich ihre Lebensumstände etwas genauer anschauen. Denn "der" Boden ist tatsächlich ein sehr heterogener Lebensraum: Die Bedingungen, die ein Bakterium an einer bestimmten Stelle vorfindet, können nur weniger als einen Millimeter entfernt komplett anders aussehen! Dies gilt für Umweltfaktoren wie Sauerstoff und Wasserverfügbarkeit ebenso wie für Nährstoffe – und wo viele verschiedene Lebensbedingungen, da auch "Platz" für zahlreiche Lebensformen.

Ein weiterer Faktor ist die Fähigkeit von Mikroorganismen, "Durststrecken" zu überdauern: Gerade die Bodenbewohner unter ihnen erleben oft lange Engpässe von Wasser und Nährstoffen. In solchen Zeiten versetzen sie sich in einen reversiblen Zustand geringer Stoffwechselaktivität, also eine Art Ruhezustand, und garantieren als "mikrobielle Samenbank" – ähnlich wie Pflanzen mit ihren Samen – den Fortbestand ihrer Artenvielfalt.

Auf der Suche nach den Überlebensstrategien von Bodenmikroorganismen

Herauszufinden, mit welchen Strategien die Mikroorganismen im teilweise recht lebensfeindlichen Ökosystem Boden überleben, ist ein Forschungsschwerpunkt in meiner Arbeitsgruppe. Aktuell interessiert uns besonders ihre Fähigkeit, Energie aus der Oxidation von atmosphärischem, molekularem Wasserstoff zu gewinnen. Das untersuchen wir bei einer der häufigsten Gruppe von Bodenbakterien, den Acidobakterien. Zusätzlich fokussieren wir uns auf Proben aus der Negev-Wüste in Israel. Um dort überleben zu können, müssen die Mikroorganismen den Großteil des Jahres ohne Wasser überdauern. In Experimenten untersuchen wir, ob und wie sich die Mikroorganismen auf die Trockenzeit vorbereiten und mit welchen Strategien sie diese überbrücken.

Unsere Untersuchungen zeigen, mittels welcher vielfältigen Strategien Mikroorganismen in Böden überleben können. Diese Fähigkeit ist eine wichtige Voraussetzung dafür, dass sich die große Artenvielfalt in Böden erhält. Diese wiederum ist essenziell für die Stabilität der Stoffkreisläufe unserer Ökosysteme.