Klimaveränderung durch Bodenmikroorganismen

Am Institut für Mikrobiologie untersucht Nadine Präg das Zusammenleben von Mikroorganismen und Pflanzen in verschiedenen Böden Tirols. Ihr Hauptaugenmerk legt sie dabei auf methanogene, Methan produzierende, als auch auf methanotrophe, Methan konsumierende, Mikroorganismen, über deren Zusammenwirken mit Pflanzen im Methankreislauf bisher noch sehr wenig bekannt ist.
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Bild: Nadine Präg misst in Laboransätzen die Auswirkung von verschiedenen Pflanzen auf die Gasflüsse in Böden. (Bild: Paul Illmer)

Methan (CH4) ist, trotz einer geringen atmosphärischen Konzentration, eines der wichtigsten Treibhausgase neben Kohlenstoffdioxid (CO2). „Das Gas ist etwa 20 bis 30 mal schädlicher als CO2, da es Infrarotstrahlung sehr stark absorbiert und so unsere Atmosphäre erwärmt“, erklärt die Doktoratsstipendiatin. Diese Tatsache ist Anlass genug einen genauen und kritischen Blick auf bisherige Forschungen und die Methanproduktion in heimischen Böden zu wagen. Das Ziel von Präg ist es herauszufinden, inwieweit verschiedene Pflanzen und Böden Methanogene und Methanotrophe beeinflussen.

Methan-Produzenten und Methan-Fresser

„Die Bildung von Methan ist zu etwa zwei Dritteln vom Menschen bedingt. Diese passiert beispielsweise in Reisfeldern, auf Deponien, bei der Verbrennung von Biomasse, oder im Pansen von domestizierten Wiederkäuern“, erläutert Nadine Präg. Die restlichen etwa 30 % werden in Feuchtgebieten, Ozeanen und durch freilebende Wiederkäuer freigesetzt. Wo auch immer – verantwortlich für die Bildung von Methan sind sogenannte Methanogene. Sie zählen zu einer bisher kaum untersuchten Gruppe von Mikroorganismen, den Archaeen, die neben Bakterien und Eukaryoten die dritte Domäne des Lebens bilden. Durch deren Aktivitäten entsteht beim anaeroben (sauerstofffreien) Abbau organischen Materials Methan als Endprodukt. „Zum Glück sind überall, wo Methanogene vorkommen, die Methanotrophen nicht weit“, erklärt die Stipendiatin. Methanogene bilden im Rahmen ihres Stoffwechsels Methan, das spezielle Bakterien, die Methanotrophen, zum Leben benötigen und damit abbauen. Diese enge Beziehung zwischen den Mikroorganismen trägt dazu bei, dass die Konzentration von Methan in der Atmosphäre nicht rapide ansteigt. Bisher wurde angenommen, dass sich Methanogene ausschließlich an sauerstoffarmen Orten wohl fühlen. So sind Reisfelder, die mit Wasser überstaut sind, oder der Pansen von Kühen besonders als Habitat für sie geeignet. „Diese Orte wurden bereits intensiv untersucht“, so die Wissenschaftlerin. Deshalb entschied sie sich, in der Heimat nach diesen Mikroorganismen zu suchen.

Methan produzierende Mikroorganismen auch in Böden Tirols entdeckt

Die Forschungsgruppe rund um Univ.-Prof. Paul Illmer am Institut für Mikrobiologie beschäftigte die Frage, ob diese Mikroorganismen nicht doch auch in gut durchlüfteten Böden, wie sie in unserer Klimalage vorkommen, leben könnten. Die Mikrobiologinnen und Mikrobiologen nahmen Bodenproben aus verschiedenen Habitaten, wie beispielsweise von der Kaserstattalm im Stubaital, im Rotmoostal, einem Gletschervorfeld bei Obergurgl und am Schrankogel in den Stubaier Alpen auf 3500 Metern Seehöhe. Vergangenen Sommer machten sie sich in einer Kooperation mit dem Land Tirol an 30 Standorten in Tirol auf die Suche nach den methanproduzierenden Archaeen und methankonsumierenden Bakterien. „Wir haben tatsächlich Methanogene und Methanotrophe in den heimischen Böden an diesen unterschiedlichsten Standorten gefunden. Damit konnten wir beweisen, dass sie wirklich und zwar in großer Zahl in unseren Böden vorkommen!“, freut sich Präg.

Enges Zusammenleben im Boden

Wie diese Mikroorganismen, für die Sauerstoff giftig ist, in gut durchlüfteten Böden überleben können, untersucht Nadine Präg. „Im Boden gibt es sauerstofffreie Mikronischen, in denen sich Methanogene einnisten können. So hätten sie einen kleinstrukturierten Lebensraum für sich gefunden“, erläutert die Mikrobiologin. Diese besondere Situation hat sie dazu veranlasst, den Boden und die komplexe Vergesellschaftung von Pflanzen und die am Methankreislauf beteiligten Mikroorganismengruppen näher zu untersuchen. Der bereits bekannte enge Kreislauf von Methanogenen und Methanotrophen bleibt weiterhin bestehen. „Man kann zwar an der Bodenoberfläche messen, was an Gas netto ausdringt, was sich jedoch im Boden abspielt, bedarf einer genaueren Betrachtung“, verdeutlicht Präg. In bisherigen Forschungen sei ein wesentlicher Faktor, die Vegetation, noch nicht berücksichtigt worden. Speziell Pflanzen, die mit ihren Wurzeln in einer engen Wechselbeziehung mit den Mikroorganismen in Böden stehen, zählen zu den komplexesten Einflussfaktoren. Mit ihrer Dissertation konzentriert sich Nadine Präg daher auf die Auswirkungen von Pflanzen und Pflanzenwurzeln auf die Aktivität und Häufigkeit von methanogenen und methanotrophen Mikroorganismen in gut durchlüfteten Böden. Der Einfluss der Rhizosphäre, der durch Pflanzenwurzeln unmittelbar beeinflusste Raum des Bodens, ist sehr komplex. Präg erzählt: „Bisher wurden viele Einflussparameter unabhängig vom Pflanzenbewuchs betrachtet. Mir ist es wichtig, zu untersuchen, wie sich die Lebensgemeinschaften im Boden gegenseitig bedingen und beeinflussen.“ Im Glashaus des Instituts wachsen zu Versuchszwecken in Bodenproben kleine Fichten und Tannen sowie verschiedene Gräser, um im Labormaßstab zu ermitteln, inwiefern Pflanzen einen Einfluss auf die Methanproduktion und den Methanabbau haben. „Wurzeln und Pflanzen sind die Schnittstelle zwischen Boden und Klima und beeinflussen ihr Umfeld auf ganz bestimmte Art und Weise. Was allerdings noch dazu kommt, sind die Pilze“, erklärt Präg. Die sogenannten Mykorrhizapilze bilden mit den Wurzeln eine Symbiose und verändern wiederum den Boden und das Habitat. Den Einfluss dieser Pilze auf Methanogene und Methanotrophe zu untersuchen, ist ein weiteres Ziel von Präg. Durch das Zusammenführen der Informationen vieler Einflussparameter soll schlussendlich ein möglichst vollständiges Bild des Methankreislaufes in Böden entstehen. „Diese Forschung ist aus meiner Sicht sehr relevant, auch im Hinblick auf die Diskussion rund um die Klimaveränderung und bietet sehr großes Potenzial. Das Forschen in diesem Bereich macht mir unglaublich viel Spaß“, so die Mikrobiologin.

Interdisziplinäres Forschen

Interessant an den Untersuchungen von Präg und dem Forschungsteam rund um Paul Illmer ist die hohe Interdisziplinarität, da Pflanzen, Böden und die am Methankreislauf beteiligten Mikroorganismen untersucht werden. Es sei schwierig, die äußerst sensiblen Methanogenen im Labor zu kultivieren und nachzuweisen. „Unsere Arbeitsgruppe zählt zu den wenigen in Österreich, die imstande sind, Methanogene im Labor zu kultivieren“, freut sich Nadine Präg. Dank der Methoden der Molekularbiologie können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die DNA der gesuchten Mikroorganismen in den Böden nachweisen, wodurch sich die Untersuchungsmöglichkeiten erweitern. Ihr Projekt konnte sie nicht nur mit einem Doktoratsstipendium, sondern auch durch eine Förderung des Tiroler Wissenschaftsfonds (TWF) mitfinanzieren.