Was den Boden stärker atmen lässt

Das verborgene Leben unter unseren Füßen

Ein einziges Gramm Erde kann eine Milliarde Bakterien enthalten. Zusammen mit Pilzen und anderen Mikroorganismen im Boden zersetzen sie abgestorbene Pflanzenteile, tierische Überreste, Wurzelausscheidungen. Sie verstoffwechseln das tote organische Material – und setzen dabei CO₂ frei. Dieser Prozess, die sogenannte Bodenatmung, ist ein zentraler Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Doch wie genau entsteht diese CO₂-Freisetzung? Und was beeinflusst sie? Bisher galt vor allem die Anzahl der Mikroorganismen (kurz: Mikroben) als entscheidend. Mehr Mikroben, mehr Atmung – so die Gleichung. „Man hat immer angenommen, dass sich die Mikroben im Boden unter bestimmten Bedingungen sehr schnell, ja geradezu exponentiell vermehren können“, erzählt die Mikrobiologin Magdalena Nagler. „Damit erklärte man sich eine höhere Bodenatmung, also wenn ein größerer CO₂-Ausstoß aus dem Boden gemessen wurde.“ Doch Nagler zeigt in ihrer Studie: Diese Annahme greift zu kurz. Entscheidend ist, wie aktiv die Mikroben tatsächlich sind.

Zellen zählen reicht nicht

In einem Feldexperiment auf alpinen Wiesen in Südtirol kombinierte Nagler CO₂-Messungen mit genetischen Analysen der Bodenmikroben. Dabei isolierte sie gezielt nur die DNA aus intakten, lebenden Zellen, um sicherzugehen, dass sie nicht versehentlich auch die DNA abgestorbener Organismen mitzählt – ein häufiger Fallstrick in der bisherigen Forschung. „Das Problem ist, dass die DNA auch vorhanden sein kann, wenn der Mikroorganismus gar nicht mehr da ist“, erklärt Nagler. „Wenn ein Mikroorganismus stirbt, löst er sich auf, und seine DNA wird frei. Sie ist dann nicht mehr innerhalb einer Zelle, aber immer noch im Boden, und kann auch lange Zeit überdauern.“ Nagler entfernte diesen extrazellulären Teil der Umwelt-DNA aus den Bodenproben und untersuchte ausschließlich die intrazelluläre DNA von mehr oder weniger aktiven Mikroben. Das Ergebnis: Selbst bei ähnlicher Mikrobenanzahl unterschieden sich die gemessenen CO₂-Werte erheblich – je nachdem, wie aktiv die Mikroben waren. Nagler errechnete aus diesen Daten eine „genspezifische Atmungsrate“ – also wie viel CO₂ pro nachgewiesenem Genabschnitt freigesetzt wird. Und genau dieser Wert erwies sich als entscheidend.

„Dormanz“ und Erwachen

Was Nagler in ihrer Forschungsarbeit zeigen konnte, war, dass Mikroben im Boden auch kurzfristig – etwa nachts – in einen „Schlafzustand“, genannt Dormanz, fallen. Sie sind zwar vorhanden, aber kaum stoffwechselaktiv, wenn die Bedingungen ungünstig sind. Sobald ausreichend Feuchtigkeit, Wärme und Sonnenlicht vorhanden ist, „erwachen“ sie, werden aktiv – und beginnen zu atmen. Auffällig: Standorte mit starker Hangneigung zeigten aufgrund der stärkeren Sonneneinstrahlung deutlich höhere mikrobielle Aktivität als Standorte auf flachen Wiesen. Auch Faktoren wie der pH-Wert oder das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis im Boden beeinflussten die Atmung – nicht durch eine Veränderung der Mikrobenarten, sondern durch veränderte Aktivitätsgrade innerhalb derselben Gemeinschaft.

Grundlage für verbesserte Klimamodelle

Die Studie bringt nicht nur einen methodischen Fortschritt. Ihre Ergebnisse sind auch wichtig, um die Auswirkungen des Klimawandels auf Boden-Kohlenstoffflüsse in Berggebieten besser zu verstehen. Gerade in diesem Lebensraum herrschen viele unterschiedliche mikroklimatische Bedingungen auf kleinstem Raum. Das macht es für Forschende schwierig, großflächige Klimamodelle zu entwickeln. Doch indem sie mikrobielle Dynamiken mit einbeziehen, können die Vorhersagen der Boden-Kohlenstoffemissionen verbessert und die Auswirkungen der globalen Erwärmung auf die Böden und Ökosysteme besser abgeschätzt werden. Im Konkreten etwa, wie sich Trockenperioden oder Hitzewellen auf die CO₂-Freisetzung auswirken. Schon kurze Feuchteimpulse, etwa nach einem Regen, führten in Naglers Experiment zu sprunghaftem CO₂-Ausstoß – ein Phänomen, das als „Birch-Effekt“ bekannt ist, nun aber besser verstanden werden kann.

Fazit: Aktivität ist entscheidend

Die Studie von Magdalena Nagler bringt eine neue bislang unterschätzte Perspektive in die Bodenforschung: Für die CO₂-Freisetzung zählt nicht nur die Anzahl der vorhandenen Mikroben, sondern vor allem, wie aktiv sie tatsächlich sind. Wenn wir verstehen, was in den Mikroben den Schalter zwischen Ruhen und Wirken umlegt, verstehen wir auch besser, wie Böden auf den Klimawandel reagieren. Sollten wir also die mikrobielle Aktivität bremsen, um Emissionen zu reduzieren? „Wir müssen ganz bestimmt nicht bei der Bodenatmung ansetzen, um CO2 zu reduzieren. Denn die Bodenatmung ist nützlich, sie zeugt von einem gesunden Boden und ist ausschlaggebend dafür, dass Pflanzen und Bäume – die Grundlage unserer Nahrung – gut wachsen können“, erklärt Nagler.