Klimafaktor Boden: Ökosystem bestimmt, wie viel Kohlenstoff entweicht

TUM-Forscher analysieren Bodenarchitektur im Nanobereich

Massenspektrometer wie NanoSIMS machen die Verteilung von chemischen Elementen im Boden sichtbar (Foto: TUM)

06.10.2011, Aktuelle Meldungen

Böden sind gewaltige Kohlenstoffspeicher: Mehr als 3000 Gigatonnen davon halten sie in Form von unterschiedlichen organischen Molekülen fest. Durch Abbauprozesse gelangt der Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre, wo er vor allem als Kohlendioxid seine klimaschädliche Wirkung entfaltet. Warum allerdings manche organische Bestandteile des Bodens wesentlich schneller abgebaut werden als andere, war bislang nicht geklärt. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) hat nun gezeigt, dass Umweltfaktoren dafür verantwortlich sind. Die Molekülstruktur der kohlenstoffhaltigen Verbindungen spielt entgegen bisheriger Annahmen nur eine untergeordnete Rolle. Grundlage für die Erkenntnisse sind modernste Analysetechniken: So untersucht Prof. Ingrid Kögel-Knabner am TUM-Lehrstuhl für Bodenkunde mithilfe der Massenspektrometrie die Bodenarchitektur auf bis zu 50 Millionstel Millimeter (Nanometer) genau.

Im Klimageschehen spielen Böden eine entscheidende Rolle. Sie speichern mehr als dreimal soviel Kohlenstoff wie Pflanzen oder die Atmosphäre. Das Element ist dabei als Bestandteil von verschiedenen organischen Verbindungen eingelagert. Ein Heer von Mikroorganismen baut diese Verbindungen allmählich ab, so dass der Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre gelangt. Schätzungsweise 60 bis 80 Gigatonnen entweichen jährlich in Form von Kohlendioxid, ein geringerer Teil als Methan. Entscheidend dafür, ob Böden mehr Kohlenstoff aufnehmen als sie in Form klimaschädlicher Gase abgeben, sind die Auf- und Abbauraten organischen Materials. Warum aber einige der kohlenstoffhaltigen Moleküle schnell zerlegt werden, während andere Jahrhunderte oder gar Jahrtausende überdauern, stellte die Wissenschaftler bisher vor Rätsel – eine große Hürde bei der Entwicklung realistischer Klimamodelle.

Eine internationale Forschergruppe unter Beteiligung von Prof. Ingrid Kögel-Knabner, Inhaberin des Lehrstuhls für Bodenkunde an der TU München, ist nun zu dem Ergebnis gelangt, dass die Abbaugeschwindigkeit in erster Linie von den Wechselwirkungen zwischen den organischen Verbindungen und dem umliegenden Ökosystem abhängt, nicht von der Molekülstruktur. Für ihre Studie haben die Wissenschaftler die Fachliteratur der letzten Jahre gesammelt und ausgewertet. Ihre Zusammenschau präsentieren sie in einem Übersichtsartikel in der Zeitschrift Nature.

Lange Zeit gingen Forscher davon aus, dass für den Abbau organischer Substanzen im Boden die chemische Struktur der kohlenstoffhaltigen Moleküle entscheidend ist. Demnach bieten sehr komplizierte Verbindungen wie etwa Lignin, der Hauptbestandteil von Holz, den abbauenden Mikroorganismen wenig Angriffsfläche und bleiben daher lange bestehen. Einfache Moleküle, wie beispielsweise verschiedene Zucker, sind dagegen wesentlich einfacher zu knacken und werden entsprechend schneller abgebaut.

Neuere Befunde stellen diesen Zusammenhang allerdings infrage: So haben Forscher beobachtet, dass Lignin unter bestimmten Bedingungen schnell zerlegt wird, während einfache Zucker Jahrzehnte überdauern. Dafür können beispielsweise Temperatur, Wassergehalt oder der pH-Wert verantwortlich sein, denn diese Faktoren beeinflussen die Aktivität von Enzymen, die den Abbau ankurbeln.

Wichtig ist auch die Verteilung der Mikroorganismen, die das organische Material verwerten. Zwar wimmelt es im Boden von Bakterien – ein Gramm Erde enthält rund 40 Millionen Zellen –, jedoch versammeln sich diese normalerweise an bestimmten Hotspots, etwa an Wurzeln. Typischerweise besiedeln sie weniger als ein Prozent des Bodenvolumens. Insbesondere in tiefen Bodenschichten sind sie selten, so dass hier das organische Material überdauern kann.

Die detaillierte Analyse der Bodenarchitektur liefert dafür wichtige Erkenntnisse. Mithilfe modernster Verfahren wird beispielsweise am TUM-Lehrstuhl für Bodenkunde die räumliche Anordnung organischer und mineralischer Bodenbestandteile gemessen – auf bis zu 50 Millionstel Millimeter genau. Zum Einsatz kommen Massenspektrometer, die dreidimensionale Bilder von der Verteilung chemischer Elemente in einer Bodenprobe erzeugen. „Diese Verfahren machen bis zur Ebene von Nanoteilchen sichtbar, wie sich chemische und physikalische Faktoren auf die Struktur von Mikroorganismen und auf die Zersetzungsprozesse im Boden auswirken“, sagt Prof. Kögel-Knabner.

Zentrales Ergebnis der Nature-Publikation ist somit, dass es beim Abbau organischer Verbindungen in erster Linie auf die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen und ihrer Umgebung ankommt. Die Wissenschaftler plädieren dafür, diese Erkenntnis zukünftig in Klimamodellen stärker zu berücksichtigen. Erst wenn die komplizierten Vorgänge im Boden im Detail verstanden und in den Modelle berücksichtigt würden, könnten bessere Vorhersagen über die Reaktion der Böden auf die Klimaerwärmung gezogen werden.

Publikation:
Michael W. I. Schmidt, Margaret S. Torn, Samuel Abiven, Thorsten Dittmar, Georg Guggenberger, Ivan A. Janssens, Markus Kleber, Ingrid Kögel-Knabner, Johannes Lehmann, David A. C. Manning, Paolo Nannipieri, Daniel P. Rasse, Steve Weiner & Susan E. Trumbore: Persistence of soil organic matter as an ecosystem property, Nature, 6. Oktober 2011, doi:10.1038/nature10386
Link: http://www.nature.com/nature/journal/v478/n7367/full/nature10386.html

Kontakt:
Prof. Dr. Ingrid Kögel-Knabner
Lehrstuhl für Bodenkunde
Technische Universität München

Tel.: 08161 71 3677
E-mail: koegel@wzw.tum.de

Weitere Informationen:
AM TUM-Lehrstuhl für Bodenkunde ist ein Sekundärionenspektrometer (NanoSIMS) im Einsatz. Es wird weltweit zum ersten Mal für die Analyse von Bodenproben verwendet. Bislang wurde diese Technik in der Materialwissenschaft, der Geologie oder Mikrobiologie genutzt. Eine Forscher-Gruppe des Institute for Advanced Study (IAS) beschäftigt sich zudem mit der Architektur der Böden.

Fokus-Gruppe "Soil Architecture" des IAS: http://www.tum-ias.de/current-focus-groups/soil-architecture.html
NanoSIMS am Lehrstuhl für Bodenkunde: http://www.soil-science.com/index.php?id=nano_about

Kontakt: presse@tum.de