Die Ökologin Christina Biasi erforscht die Bedingungen, unter denen winzige Organismen dazu beitragen, dass Permafrostböden Lachgas ausstoßen. Ihre Forschung könnte für die Entwicklung zukünftiger Klimaszenarien von entscheidender Bedeutung sein.
Vor mehr als 15 Jahren machten Biasi und ihre Kollegen von der Universität Ostfinnland eine überraschende Entdeckung. Diese Ökologen haben Gasflüsse aus Permafrostböden in der arktischen Tundra gemessen – also Böden, die über einen Zeitraum von mehr als zwei Jahren ununterbrochen gefroren sind. Normalerweise emittieren diese Böden Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4).
„Als wir die Proben im Gaschromatographen analysierten, stellten wir zu unserem Erstaunen auch hohe Konzentrationen an Lachgas (N2O) fest. Um sie messen zu können, mussten wir die Proben verdünnen. Das war völlig unerwartet“, sagt Biasi forscht derzeit an der Universität Innsbruck.
Im Jahr 2009 veröffentlichte sie ihre Erkenntnisse in einem der ersten Forschungsarbeiten zu N2O-Emissionen aus Permafrostböden.
In ihrem aktuellen Forschungsprojekt „Constraining the global permafrost nitrous Oxide Budget“ (PERNO) möchte Biasi herausfinden, wie in diesen Böden N2O, auch Lachgas genannt, entsteht. Dieses Wissen könnte helfen, Aussagen über die Zukunft zu treffen. Sie vermutet, dass bisher unbeachtete Emissionen die globale Erwärmung noch weiter beschleunigen.
Gefrorener Boden und winzige Kreaturen
„N2O ist mit dem Stickstoffkreislauf verbunden. Die Hauptquellen sind landwirtschaftliche Flächen, die mit stickstoffbasierten Düngemitteln behandelt werden“, erklärt Biasi. Tatsächlich wird das Treibhausgas auch von natürlichen Ökosystemen emittiert. Permafrostböden galten jedoch lange Zeit als vernachlässigbare Quellen. Es wurde angenommen, dass sie stickstofflimitiert waren.
„Mittlerweile wissen wir, dass dies nicht immer der Fall ist und dass an besonderen Permafroststandorten, wie sie in der Arktis oder der Tundra vorkommen, Lachgas in sehr hohen Raten ausgegast wird“, bemerkt Biasi. Darüber hinaus verändern die Folgen der Klimakrise die Dynamik dieser gefrorenen Böden.
Am Stickstoffkreislauf im Boden sind mikroskopisch kleine Lebewesen beteiligt. Bestimmte Arten von Mikroben gewinnen Energie, indem sie Ammoniak oder Ammonium zu Nitrat reduzieren. Andere wandeln Nitrat hauptsächlich in Stickstoff (N2) um, unter sauerstoffarmen Bedingungen aber auch in Lachgas. Wenn Permafrostböden auftauen, finden die Mikroben mehr organisches Material, das sie umwandeln können. Dadurch können auch Stickstoff und Lachgas aus diesen Böden ausgegast werden.
Kleinskalige Klimamodelle
„Wir wollen diesen Stickstoffkreislauf in verschiedenen Szenarien entschlüsseln“, sagt Biasi. Zusammen mit Ph.D. Student Matej Znaminko und wissenschaftliche Mitarbeiterin Tatiana Trubnikova analysieren Biasi Proben von etwa 50 Torfmoorböden. Die Proben stammen aus verschiedenen Regionen der Welt – darunter Kanada, Sibirien und Skandinavien – sowie aus unterschiedlichen Bodentiefen.
Viele Bodenproben erhielten die Forscher von internationalen Kooperationspartnern, etwa von Kollegen der Universität Ostfinnland. Im Labor setzten sie den Boden Temperaturen von 4 °C, 12 °C und 20 °C aus und variierten zudem die Luftfeuchtigkeit.
„Damit wollen wir herausfinden, wie sich die N2O-Emissionen verändern, wenn die Temperaturen infolge der Klimakrise steigen und sich der Wasserhaushalt beispielsweise durch Dürren verändert“, erklärt Biasi. Anschließend analysiert das Team, welche Treibhausgase in welcher Konzentration emittiert werden.
Die Forscher wollen verstehen, welche Mikroben in welchen Szenarien dazu beitragen, dass Böden mehr N2O ausstoßen. Dies geschieht mittels Isotopenanalyse, einer Methode, die auf zwei Tatsachen basiert: Etwas weniger als 1 % des in der Natur vorkommenden Stickstoffs hat mehr Neutronen als Protonen in seinem Kern. Diese sogenannten Stickstoff-15-Atome haben eine höhere Masse als die häufiger vorkommenden Stickstoff-14-Atome.
Und zweitens bevorzugen Mikroorganismen Stickstoff-14-Atome. „Durch die Isotopenanalyse sehen wir einen Fingerabdruck von N2O, der uns zeigt, welche mikrobiellen Prozesse bei der Stickstoffverarbeitung aktiv sind“, erklärt Christina Biasi.
Es ist die Wirkung, die zählt
In der Permafrostforschung gibt es Raum für neue Erkenntnisse. „Wir haben in unseren Proben bereits unbekannte Arten von Mikroorganismen gefunden, die N2O-Emissionen verursachen. Sie gehören zur Gruppe der Archaeen“, sagt Biasi. Sie möchte nun herausfinden, wie sich diese Einzeller verhalten, wenn es trockener, vielleicht auch feuchter und wärmer wird – und was das für das globale Klima bedeutet.
Lachgas ist für 5 % der vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Während Kohlendioxid und Methan (CH4) aufgrund ihrer Mengen weltweit die relevantesten Treibhausgase sind, hat Lachgas ein 300-mal höheres Erwärmungspotenzial als CO2. Darüber hinaus sind die N2O-Emissionen seit den 1980er Jahren um 40 % gestiegen.
Trockene Böden, hohe Emissionen
Biasi und ihr Team machten sich daran, die Entwicklung von N2O in den Permafrostgebieten der Arktis und der Tundra zu simulieren. „Die Datenbank ist fertig. Das Modell wurde mit den Rohwerten gefahren, und die Experimente, die die Daten zur Anpassung und Verfeinerung des Modells liefern, laufen derzeit“, sagt der Ökologe.
Die endgültigen Ergebnisse werden zum Ende des Projekts im August 2025 kommuniziert. Basierend auf dem aktuellen Wissensstand kann Biasi bereits sagen: „Es ist davon auszugehen, dass die Lachgasemissionen in arktischen Regionen zunehmen werden.“ Die globale Erwärmung könnte dadurch noch weiter angeheizt werden.
„Wie sich diese Emissionen entwickeln“, stellt Biasi fest, „hängt vor allem davon ab, wie warm es wird. Man geht derzeit davon aus, dass bis zum Jahr 2100 etwa 80 % des Permafrosts in den nördlichen Torfmooren verloren gehen.“ Dies bedeutet nicht nur höhere N2O-Emissionen. Wenn Permafrost-Torfböden auftauen, zersetzen Mikroben organisches Material, das aus Kohlenstoff besteht, wobei enorme Mengen CO2 freigesetzt werden.
Eine Nation, die niemand will
Laut Biasi ist es jetzt an der Zeit, Maßnahmen zur Begrenzung der globalen Erwärmung zu ergreifen. Wenn wir zu wenig tun, wird das Auftauen von Permafrostböden die globale Erwärmung enorm beschleunigen. Bis zum Jahr 2100 könnten die globalen Permafrostböden, wenn sie auftauen oder vollständig aufgetaut sind, so viele CO2-Äquivalente ausstoßen wie Länder, die zu den größten Emittenten gehören – wie China oder die USA.
„Dann kann man tatsächlich von einer eigenen Permafrost-Nation sprechen. Das ist eine unumkehrbare Entwicklung. Ist der Permafrost einmal aufgetaut, bildet er sich so schnell nicht wieder“, sagt Biasi.
N2O-Emissionen aus Permafrostböden wurden lange Zeit von Prognosen ausgeschlossen, einschließlich der Berichte des Zwischenstaatlichen Gremiums für Klimaänderungen (IPCC). Sie wurden erst im aktuellsten Synthesebericht aus dem Jahr 2023 berücksichtigt.
Mit ihrer Forschung möchte Biasi dazu beitragen, diese wenig beachteten Emissionen vorherzusagen und einzubeziehen – um das Verständnis unserer sich erwärmenden Welt zu verbessern.