Mikrobielle Interaktionen stabilisieren Kohlenstoff im Boden

Bei der mikrobiellen Zersetzung toter Biomasse verbleibt ein Teil des Kohlenstoffs im Boden, wo er dann für sehr lange Zeiträume gebunden sein kann (© Andreas Richter)

Kohlenstoff, das wichtigste Element für alles Leben auf der Erde, zirkuliert im sogenannten 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, bevor es durch mikrobielle Zersetzung toter Biomasse wieder als CO2 in die Atmosphäre entweicht.

Bei dieser mikrobiellen Zersetzung toter Biomasse verbleibt jedoch ein Teil des Kohlenstoffs im Boden, wo er dann für sehr lange Zeiträume gebunden sein kann – in tieferen Bodenschichten wird die Verweildauer auf hunderte bis einige tausend Jahre geschätzt. Welche Mechanismen dafür verantwortlich sind, dass Kohlenstoff im Boden so effizient „zurückgehalten“ wird, ist eine hochaktuelle Frage und Gegenstand intensiver Forschung von Bodenwissenschafter*innen weltweit.

Bodenbedingungen in ständiger Veränderung

Ein neues Konzept der Kohlenstoffstabilisierung im Boden, vorgelegt von einem interdisziplinären Konsortium aus experimentell arbeitenden Bodenwissenschafter*innen und mathematischen Modellierer*innen unter der Leitung von Johannes Lehmann von der Cornell Universität berücksichtigt nun, dass sich das Leben von Bodenmikroorganismen auf kleinster Skala in einer hochkomplexen Umwelt abspielt.

Die Gruppe hat sich am Institute for Advanced Study (IAS) der Technischen Universität München (TUM) getroffen und wurde von dort auch finanziell unterstützt.

„Wieviel Kohlenstoff von Mikroorganismen abgebaut oder in langfristig speicherbare Biomasse umgewandelt wird, hängt demnach nicht nur davon ab, wieviel Kohlenstoff und wieviel 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.

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“, erklärt die Letztautorin des Papers Ingrid Kögel-Knabner von der TUM.

„Die Bedingungen im Boden ändert sich ständig,“ sagt Johannes Lehmann, Erstautor der Studie. „Obwohl es viel Kohlenstoff gibt, verhungern Mikroorganismen, insbesondere wenn sie sich an sich ständig ändernde Bedingungen in einem Labyrinth anpassen müssen.“

Soziale Interaktion von Mikroorganismen

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 nicht viel „Gewinn“ 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 Bodenmikroorganismen 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 emergenten Phänomenen, also einer Art „Selbstorganisation“ der mikrobiellen Gemeinschaft führen, die sich wiederrum auf Kohlenstoffabbau und -speicherung auswirkt.

„Funktionelle Komplexität“ des Bodens

„Der Boden ist ein hochkomplexes Ökosystem, in dem viele verschiedene Arten von Mikroorganismen und Kleinstlebewesen zumeist in Bodenporen – aus mikrobieller Sicht eine Art Tunnelsystem – miteinander interagieren,“ sagt Christina Kaiser von der Universität Wien, die zu diesem Thema auch im Rahmen ihres vom European Research Council (ERC) geförderten Projekts forscht. „Diese sozialen Interaktionen der Bodenmikroorganismen beeinflussen das ganze System und damit auch die Stoffkreisläufe im Boden.“

Das neue Konzept postuliert daher, dass die „funktionelle Komplexität“ des Bodens, bestehend aus der räumlichen Verteilung von Mikroben und abbaubaren Kohlenstoffverbindungen, sowie die chemische Vielfalt dieser Verbindungen, gemeinsam mit der Selbstorganisierungsfähigkeit des mikrobiellen Ökosystems, einen starken Einfluss auf die langfristige Stabilisierung von Kohlenstoff im Boden hat.

Diese neue Betrachtungsweise könnte in Zukunft dazu beitragen die Mechanismen der Speicherung von Kohlenstoff im Boden besser zu verstehen. Ein Verständnis, das nicht nur für die Entwicklung genauerer Klimavorhersagemodelle von Bedeutung ist, sondern auch als Grundlage für die Entwicklung von „klimarelevanten“ Bodenmanagementpraktiken dienen könnte. Eine gezielte Bewahrung der funktionellen Komplexität im Ökosystem Boden könnte dafür sorgen, dass der Kohlenstoff noch langfristig darin gespeichert bleibt.

Publikation in „Nature Geosciences“:
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 (2020), Persistence of soil organic carbon caused by functional complexity, Nature Geoscience. DOI: 10.1038/s41561-020-0612-3

Ass.-Prof. Dr Christina Kaiser
Universität Wien
1090 – Wien, Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft Universität Wien 1090 – Wien, Althanstraße 14 (UZA I)
+43 1 4277 91263
christina.kaiser@univie.ac.at

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 (2020), Persistence of soil organic carbon caused by functional complexity, Nature Geoscience. DOI: 10.1038/s41561-020-0612-3

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