Mikroben sind für die Erhaltung gesunder, fruchtbarer Böden von entscheidender Bedeutung, was wiederum für die allgemeine Gesundheit der Ökosysteme von entscheidender Bedeutung ist. Doch was passiert mit diesen Mikroben, wenn der Mensch die Umwelt langfristig schädigt?
Forscher der Michigan State University haben neue Antworten auf diese Frage geliefert, indem sie Bodenmikroben in der Nähe eines Minenfeuers analysierten, das seit mehr als 60 Jahren brennt.
„Wenn man in ein Gramm Erde schaut, findet man Zehntausende verschiedener Bakterienarten in diesem Boden“, erklärte Ashley Shade, die Hauptforscherin des Berichts, der die in der Zeitschrift veröffentlichten neuen Erkenntnisse dokumentiert Ökologiebriefe. Shade ist außerordentlicher Professor in der Abteilung für Mikrobiologie, Genetik und Immunologie der MSU.
„Boden ist das vielfältigste Mikrobiom, das wir kennen“, fuhr Shade fort. „Er ist sogar vielfältiger als der menschliche Darm.“
Seit sieben Jahren untersuchen Shade und Samuel Barnett, ein Postdoktorand in ihrem Labor, mikrobielle Bodengemeinschaften in Centralia, Pennsylvania. In der Stadt brennt seit 1962 ein unterirdischer Kohlebergwerksbrand.
Der Brand in der Centralia-Mine ist ein Beispiel für eine „Pressestörung“ – eine langfristige, kontinuierliche, vom Menschen verursachte Störung.
In dieser Studie verwendeten die Forscher dieses System als Modell, um zu verstehen, wie Bakteriengemeinschaften angesichts einer intensiven Umweltveränderung reagieren und sich möglicherweise erholen. Dies ist besonders wichtig angesichts einer weiteren Unruhe in der Presse: dem Klimawandel.
Tatsächlich hofft das Team, dass seine Ergebnisse weitere Forschungen zur Entwicklung von Strategien zur Wiederherstellung des Mikrobioms für Ökosysteme anregen werden, die vom Klimawandel und anderen Pressestörungen betroffen sind.
Eine Geschichte von Feuer und Mikroben
Der Brand in Centralia begann zufällig, als bei der Reinigung einer Mülldeponie die angrenzende Mine in Brand geriet, und seitdem brennt das Feuer ununterbrochen. Während das Feuer brennt, bewegt es sich durch den verlassenen unterirdischen Minenschacht und erhitzt dabei den darüber liegenden Boden. Diese Hitze verändert die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften.
Die Forscher wählten Probenahmestellen an verschiedenen Stellen entlang der Brandspur und untersuchten den Boden vor, während und nach dem Erhitzen. Das Team nahm auch Proben an nahegelegenen Standorten, die vom Feuer völlig verschont blieben.
Die Probenahme wurde jährlich zwischen 2015 und 2021 durchgeführt.
„Wir gehen jedes Jahr im Oktober raus und nehmen Bodenkerne“, erklärte Barnett. „Wir haben ein großes PVC-Rohr, das wir sterilisieren, in den Boden treiben und etwa 20 Zentimeter Erde herausziehen. Dann sieben wir den Boden, um Wurzeln, Steine und alles, was wir nicht wollen, loszuwerden, und frieren ihn dann ein.“ es in flüssigem Stickstoff und bringe es ins Labor.
Der nächste Schritt bestand für die Forscher darin, bakterielle DNA und RNA zu extrahieren. Sie sequenzierten die DNA, um festzustellen, welche Arten von Bakterien vorhanden waren. Anschließend untersuchten sie das Verhältnis von RNA zu DNA, um festzustellen, welche Bakterien biologisch aktiv sind und welche ruhen.
„Ruhe ist ein Wort für einen reversiblen Aktivitätszustand, den viele Lebensformen irgendwann annehmen. Es ist eine wirklich wichtige Strategie, um Organismen dabei zu helfen, Stress in ihrer Umgebung standzuhalten“, sagte Shade.
„Vielen Menschen ist nicht bewusst, dass unglaublich viele Bodenmikroben zu einem bestimmten Zeitpunkt einfach nicht aktiv sind und funktionieren. Dies ist ein wichtiger Punkt, da die aktiven Mikroben diejenigen sind, die zu den Ökosystemfunktionen beitragen“, fuhr sie fort. „Ich denke, das ist das Besondere an dieser Studie, weil die meisten Untersuchungen die Frage, wer aktiv ist und wer nicht, nicht berücksichtigen.“
Die Forscher ließen diese Perspektive in die Wiederherstellung mikrobieller Gemeinschaften einfließen.
Obwohl sich die mikrobiellen Populationen erholten, nachdem das Feuer vorüber war – zum Beispiel durch das Einblasen neuer Bakterien durch den Wind –, hatten sich die Arten, die aktiv oder ruhend waren, im Vergleich zu den Bedingungen vor dem Feuer verändert.
„Wenn wir verstehen können, was die ruhenden Mikroben aufweckt, können wir versuchen, das Mikrobiom so zu steuern, dass es beispielsweise aufwacht, wenn wir es zum Aufwachen brauchen, und möglicherweise einschläft, wenn wir es zum Einschlafen brauchen“, sagt Shade abgeschlossen.
Mehr Informationen:
Samuel E. Barnett et al., Ankommen und warten: Inaktive Bakterientaxa tragen zur wahrgenommenen Widerstandsfähigkeit des Bodenmikrobioms nach einer multidekadischen Pressstörung bei, Ökologiebriefe (2024). DOI: 10.1111/ele.14393