Der Boden ganz oben

Welche Mikroorganismen unter den extremen Bedingungen im Hochgebirge aktiv sind, erforscht die Arbeitsgruppe Bodenmikrobiologie und Klimawandel von Paul Illmer in einem interdisziplinären Umfeld. Mit den Ergebnissen ihren Untersuchungen am Schrankogel konnten die Mikrobiologen den Forschungsstand um wertvolle Erkenntnisse bereichern.
Der Schrankogel bietet aufgrund der gleichmäßigen Steigung seiner Flanke sehr gute Bedingungen für Untersuchungen. Foto: Paul Illmer
Bild: Der Schrankogel bietet aufgrund der gleichmäßigen Steigung seiner Flanke sehr gute Bedingungen für Untersuchungen. Foto: Paul Illmer

Der Boden ist eine zentrale Lebensgrundlage für Menschen, Tiere und Pflanzen. Auch wenn er vermeintlich in Hülle und Fülle vorhanden ist, lohnt es sich, einen Blick auf seine Entstehung zu werfen, denn bis auf einem Boden etwas gedeihen kann, muss eine unglaubliche Vielzahl an Mikroorganismen Pionierarbeit leisten. Welche Mikroorganismen unter den extremen Bedingungen im Hochgebirge aktiv sind, untersucht Paul Illmer mit seinem Team unter anderem auf dem Schrankogel. Der mit fast 3500 Metern zweithöchste Berg der Stubaier Alpen bietet aufgrund der gleichmäßigen Steigung seiner Flanke sehr gute Bedingungen für Untersuchungen und zählt nicht zuletzt deshalb zu den Mastersites des 2001 von Österreichischen Biologen initiierten Forschungsprojekts GLORIA (Global Observation Research Initiative in Alpine Environments), an dem auch verschiedene Institute der Universität Innsbruck beteiligt sind. „2011 und 2013 haben wir am Schrankogel begleitend zu den langjährigen botanischen erstmals auch mikrobiologische Untersuchungen durchgeführt“, erklärt Paul Illmer. Für ihre Untersuchungen haben die Arbeitsgruppen von Paul Illmer vom Institut für Mikrobiologie und Clemens Geitner vom Institut für Geographie von der alpinen bis in die nivale Zone in einem Abstand von 100 Höhenmetern Bodenproben genommen. Diese wurden am Institut für Mikrobiologie kulturtechnisch, molekularbiologisch und biochemisch-analytisch untersucht und mit den botanischen Daten zu Pflanzenvorkommen in Zusammenhang gebracht. „Eines der zentralen Ergebnisse aus dem botanischen Teil des GLORIA-Projekts ist, dass durch die Klimaerwärmung die alpinen Pflanzen immer weiter nach oben in den Lebensraum der nivalen Pflanzen wandern. Wir haben auf der GLORIA-Site ergänzend dazu umfassend das Vorkommen und die Aktivitäten von Mikroorganismen im Boden untersucht“, erklärt der Mikrobiologe, der erstmals auch die Rhizosphären-Mikroorganismen und somit die spezielle Beziehung zwischen Pflanzen und Mikroorganismen im Hochgebirge untersucht hat. „Während der Nivalitätsindex, also das Verhältnis zwischen alpinen und nivalen Pflanzen mit zunehmender Höhe steigt, nehmen mikrobielle Kennwerte ab.“ Das – so der Wissenschaftler – gilt für nahezu alle der gemessenen mikrobiellen Parameter wie zum Beispiel die mikrobielle Biomasse und Atmung, das Vorkommen spezifischer Gruppen von Mikroorganismen oder verschiedene Enzymaktivitäten. „Nivalität und Mikrobiologie lassen sich in zwei gegenläufigen Kurven darstellen, die sich nicht zufällig genau im alpin-nivalen Ökton bei knapp 3000 Metern kreuzen“, betont Paul Illmer. Genau in diesem Bereich finden nämlich klimawandelbedingt auch die deutlichsten Veränderungen in der Pflanzenwelt statt. Dass auch mit molekularbiologischen Screenings gerade in diesem Bereich ein Wechsel der mikrobiellen Zusammensetzung nachgewiesen werden konnte, kann daher kein Zufall sein und zeigt die enge Beeinflussung von Pflanzen und Mikroorganismen.

Hochalpine Mikroorganismen

Mit ihren Untersuchungen am Schrankogel konnten die Mikrobiologen außerdem den Forschungsstand zum Vorkommen von Mikroorganismen um wertvolle Erkenntnisse bereichern: So besagen ältere Studien, dass sich Vorkommen und Anzahl der Mikroorganismen über die Höhentransekte nur unwesentlich verändern, weil sie auch den extremen Bedingungen im Hochgebirge gewachsen sind. Die neusten Ergebnisse der Arbeitsgruppe Bodenmikrobiologie und Klimawandel lassen ein etwas anderes Bild entstehen: „Alles, was sich bis 2700 Meter abspielt, ist den Mikroorganismen tatsächlich relativ egal, dann treten aber Veränderungen auf. Wir können bei nahezu allen Parametern eine deutliche Zonierung über die Höhenstufen erkennen“, berichtet Illmer, dessen Untersuchungen in einer Höhe beginnen, wo die meisten bisherigen bereits aufhören. Ab ca. 3300 Metern sind fast allen Mikroorganismen die Bedingungen zu unwirtlich. Hier überleben nur mehr einige wenige Bacteria und auch Archaea, ebenfalls einzellige Mikroorganismen, die lange Zeit zu den Bacteria gezählt wurden, jedoch eine völlig eigenständige Domäne unter den Lebewesen darstellen. Archaea zählen neben bakteriellen Pionierorganismen zu den Primärbesiedlern, doch ist deren Rolle für die Bodenentstehung noch unklar. Unter den noch kaum erforschten, äußerst diversen Kleinstlebewesen sind auch zahlreiche methanogene Arten, denen Paul Illmers besonderes Forschungsinteresse gilt. Ihre Fähigkeit, Methan zu produzieren, machen die Archaea in verschiedensten Zusammenhängen für den Klimawandel sehr relevant und die Arbeitsgruppe von Illmer untersucht daher die Physiologie dieser speziellen Lebewesen auch in Hinblick auf die Biogasproduktion.

Zeitlupentempo im Gebirge

Ein weiteres Untersuchungsgebiet der Arbeitsgruppe Bodenmikrobiologie und Klimawandel ist das Tiroler Rotmoostal, das als Vorfeld eines sich zurückziehenden Gletschers hervorragende Bedingungen für die unterschiedlichen Stadien der Bodenbildung bietet. Diese verläuft im Hochgebirge nicht anders als im Tal, nur sehr viel langsamer: So ist im ganz jungen Gletscherschwundgebiet nach wenigen Jahren noch kein Boden entstanden. Selbst dort, wo vor 160 Jahren der größte Gletschervorstoß verzeichnet wurde und seitdem der Boden frei liegt, ist heute während der Vegetationszeit nur zartes Grün erkennbar, das auf dem von organischer Substanz nur marginal durchsetztem Schotter gedeiht. Im Tal, wo den Bodenmikroorganismen mehr und besser verfügbare organische Substanz, mehr flüssiges Wasser und höhere Temperaturen zur Verfügung stehen, hätte sich nach einer vergleichbaren Zeit bereits eine funktionierende Humusschicht gebildet.

Unbekannte Pioniere

Aus bodenkundlicher Sicht wird als Boden die von bodenbildenden Prozessen geprägte Überschneidungszone zwischen der Lithosphäre und der Biosphäre mit der Atmosphäre und Hydrosphäre bezeichnet. Als erste Primärbesiedler sind bakterielle Pionierorganismen und Archaea am Werken. Dann bilden sich Flechten und pflanzliche Pioniere besiedeln die Fläche bis sich nach und nach organische Substanz anreichert, die schließlich auch Bodentieren einen Lebensraum bietet. Wie wichtig die Bodenmikroorganismen für die Entstehung und das Funktionieren eines Bodens sind, verdeutlicht Paul Illmer in Zahlen: „In einem Gramm fruchtbaren Boden sind bis zu 1011 Mikroorganismen zu finden.“ Im Übrigen sind nur ein Prozent davon bekannt. Und wenn man auf einem durchschnittlichen Wiesenboden steht, so hat man pro Quadratmeter ca. 1 Kilogramm reine mikrobielle Biomasse unter sich – d.h. das Gewicht der Mikroorganismen im Boden übersteigt z.B. jenes der Weidetiere auf der Wiese um ein Vielfaches.

Dieser Artikel ist in der aktuellen Ausgabe des Magazins „zukunft forschung“ erschienen. Eine digitale Version ist hier zu finden.