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Risiken für Stoffkreisläufe im Boden

Internationales Wissenschaftlerteam untersucht unterirdische Kohlendioxid-Speicherung
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23.02.2016
Eine der untersuchten Mofetten, die lange als lebensfeindlicher Ort galten. Foto: Felix Beulig Eine der untersuchten Mofetten, die lange als lebensfeindlicher Ort galten.
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Hohe Konzentration von Kohlendioxidgas in Böden kann die Gemeinschaften von Bodenlebewesen langfristig stark verändern - und damit auch Prozesse im Ökosystem wie den unterirdischen Kohlenstoffkreislauf und die Kohlenstoffspeicherung. Zu diesem Ergebnis kommt ein Team der Universitäten Jena, Wien, Greifswald, Oslo sowie des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), das in der ersten Ausgabe des Journals "Nature Microbiology" veröffentlicht worden ist.

Für ihre Studie hatten die Forschenden Bodenorganismen und Stoffkreisläufe an einer natürlichen Kohlendioxidquelle (Mofette) und in einem Vergleichsboden untersucht. Die Ergebnisse erlauben Rückschlüsse auf die Auswirkungen möglicher Lecks bei der CO2-Einlagerung im Untergrund, die langfristig das Nahrungsnetz und den Stoffwechsel im Boden verändern könnten.


Wie kann der weitere Anstieg der Kohlendioxidkonzentration vemieden werden?

Je deutlicher die Dimensionen der globalen Erwärmung werden, umso größer wird auch der Druck, Möglichkeiten zu finden, um einen weiteren Anstieg der Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre zu vermeiden. Dabei wird auch die Abscheidung und unterirdische Speicherung dieses Treibhausgases diskutiert. Doch welche Auswirkungen und Risiken hätten solche Speicher?

Was passieren würde, wenn ein solcher Speicher undicht würde, lässt sich kaum durch praktische Versuche herausfinden. In den letzten Jahren ist daher ein kleines Tal im tschechischen Bäderdreieck zu einer Art Freilandlabor geworden. Denn hier strömt in sogenannten Mofetten CO2 in großen Mengen natürlich aus der Tiefe. An diesen Spätfolgen des Vulkanismus lassen sich die Auswirkungen hoher CO2-Konzentrationen studieren, ohne dass der Mensch in die Natur eingreifen muss. Heilbäder wie Karlovy Vary (Karlsbad), Mariánské Lázne (Marienbad) oder Františkovy Lázně (Franzensbad), aber auch die Kurorte Bad Elster und Bad Brambach in Sachsen verdanken ihre Existenz den vulkanischen Aktivitäten in früheren Zeiten.


CO2 im Boden bewirkt, dass Bodentiere ausgeschlossen werden

Das Team unter der Leitung von Prof. Dr. Kirsten Küsel vom Lehrstuhl für Aquatische Geomikrobiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) nahm rund um eine Mofette den Boden unter die Lupe, in dem die Luft durch beinahe reines CO2 geprägt war. Von 2012 bis 2014 sammelten die Forschenden dreimal pro Jahr Proben. Diese verglichen sie anschließend mit Proben von einem Vergleichsboden ohne erhöhte CO2-Konzentration, der nur wenige Meter entfernt war. "In dem Boden von der Mofette fanden wir deutlich mehr organisches Material, also Reste von abgestorbenen Pflanzen und Tieren, die normalerweise von kleinen Bodentieren und von Einzellern, Bakterien und Pilzen abgebaut werden", berichtet Dr. Felix Beulig von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der inzwischen an der Universität Aarhus in Dänemark forscht. Durch moderne chemische und molekularbiologische Methoden konnten die Forschenden den Mechanismus aufdecken, der diese Veränderung bewirkt hatte: Das CO2 hatte die Lebensbedingungen im Boden so verändert, dass Bodentiere ausgeschlossen wurden und sich die Gemeinschaft der Mikroorganismen hin zu weniger vielfältigen, dafür aber höher spezialisierten Arten verschoben hatte. Dadurch wurde das Nahrungsnetz im Boden weniger effizient beim Abbau von organischem Material, das sich daraufhin im Boden angereichert hatte. Zudem konnte durch Isotopenmessungen gezeigt werden, dass im organischen Bodenmaterial große Mengen an Kohlenstoff aus dem Erdmantel gebunden war. Diesen hatten zuvor Pflanzen und Mikroorganismen über das ausströmende CO2 aufgenommen.

Sogenannte "omics"-Methoden hatten es den Forschenden erlaubt, gleichzeitig die gesamte in allen Bodenlebewesen vorhandene Erbinformation (DNA und RNA) bei ihrer Analyse zu berücksichtigen. Zudem konnte das Team feststellen, welche Erbinformation gerade aktiv genutzt wurde. Dadurch ließen sich Rückschlüsse auf jene Stoffkreisläufe im Boden ziehen, die Bindung und Abbau von Kohlenstoff beeinflussen. "Unsere Ergebnisse lassen darauf schließen, dass extrem hohe Konzentrationen von Kohlendioxid langfristig das Nahrungsnetz und den Stoffwechsel im Boden verändern", erklärt Prof. Kirsten Küsel von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und dem iDiv. Die umfassende Analyse mit einer Kombination von "omics"- und biogeochemischen Methoden wurde auch von Prof. Dr. Joshua Schimel von der University of California in einem Kommentar hervorgehoben, der in der gleichen Ausgabe von "Nature Microbiology" erschienen ist.

Die untersuchte Mofette ist ein extremes Habitat, das lange als lebensfeindlicher Ort galt. Dass stark angepasste Organismen sich dort aber durchaus wohl fühlen, konnte das Forscherteam bereits im vorigen Jahr zeigen. Die aktuelle Studie brachte nun Einblicke in die komplexen Zusammenhänge zwischen Organismengemeinschaften und der Kohlenstoffdynamik im Boden. Die Ergebnisse werden helfen, die Umweltrisiken der unterirdischen CO2-Speicherung besser beurteilen zu können.

Publikationen:
Felix Beulig, Tim Urich, Martin Nowak, Susan E. Trumbore, Gerd Gleixner, Gregor D. Gilfillan, Kristine E. Fjelland and Kirsten Küsel (2016): Altered carbon turnover processes and microbiomes in soils under long-term extremely high CO2 exposure. Nature Microbiology Vol. 1, Article number: 15025. 27 January 2016. doi:10.1038/nmicrobiol.2015.25
www.nature.com/articles/nmicrobiol201525

Kommentar ("News and Views") dazu:
Joshua Schimmel (2016): Microbial ecology: Linking omics to biogeochemistry. Nature Microbiology Vol. 1, Article number: 15028. 27 January 2016. doi:10.1038/nmicrobiol.2015.28
http://www.nature.com/articles/nmicrobiol201528

Kontakt
Prof. Dr. Kirsten Küsel
Lehrstuhl für Aquatische Geomikrobiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena und stellvertretende Direktorin des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv)
Tel.: 03641 / 949461
http://www.geomicrobiology.de/

Dr. Felix Beulig
Friedrich-Schiller-Universität Jena
derzeit
Aarhus University (Dänemark)
http://bios.au.dk/en/
http://pure.au.dk/portal/en/persons/id%288b62ba4d-0479-4df2-9cf9-8d4c16cba6ec%29.html

 

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