Mikroskopisch kleine Pilze verbessern die Kohlenstoffspeicherung im Boden in neuen Landschaften, die durch schrumpfende arktische Gletscher entstehen

Schmelzende arktische Gletscher gehen rapide zurück und mikroskopische Organismen besiedeln die neu freigelegten Landschaften. Dr. James Bradley, Ehrendozent für arktische Biogeochemie an der School of Biological and Behavioral Sciences der Queen Mary University of London, und sein Team haben herausgefunden, dass Hefen eine wichtige Rolle bei der Bodenbildung in der Arktis spielen, nachdem die Gletscher geschmolzen sind.

Etwa 10 % der Landoberfläche der Erde sind von Gletschereis bedeckt. Doch aufgrund der globalen Erwärmung ziehen sich die Gletscher immer weiter und immer schneller zurück. Dabei legen sie neue Landschaften frei, die viele tausend Jahre lang von Eis bedeckt waren.

Nach dem Abschmelzen des Gletschereises besiedeln mikroskopische Lebensformen das nun zugängliche Grundgestein, akkumulieren Nährstoffe und bilden neue Böden und Ökosysteme. Da Böden unter den richtigen Umständen ein bedeutender Kohlenstoffspeicher sein können, ist die Frage, wie genau nach dem Abschmelzen von Gletschern neue Böden entstehen, eine Frage von großer wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Relevanz.

Um die Entstehung arktischer Böden zu untersuchen, reiste ein Team unter der Leitung von Dr. Bradley nach Spitzbergen – ein Inselarchipel etwa auf halber Strecke zwischen dem Nordpol und der Nordküste Norwegens und weit oberhalb des Polarkreises. Hier erwärmt sich das Klima siebenmal schneller als im Rest der Welt und die Gletscher schwinden rapide.

Die unfruchtbaren Landschaften bieten kaum Lebensraum: Dem felsigen Gelände fehlen Nährstoffe, die Temperaturen fallen monatelang weit unter den Gefrierpunkt und aufgrund der hohen Breitengrade gibt es während der Polarnacht im Winter keinerlei Sonnenlicht. Die allerersten Pioniere, die das unwirtliche Gelände besiedeln, sind Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze.

Diese Mikroben bestimmen, wie viel Kohlenstoff und Stickstoff im Boden gespeichert werden kann. Über die genauen Prozesse, die dieser Nährstoffstabilisierung durch mikrobielle Aktivität zugrunde liegen, ist jedoch nur sehr wenig bekannt. Bradley und sein Team untersuchten diese Böden, um besser zu verstehen, wie Mikroben zum Prozess der Bodenbildung beitragen, wenn Gletscher verschwinden.

Die Ergebnisse der Studie, an der auch Forscher aus Deutschland, den USA und der Schweiz beteiligt waren, veröffentlicht im Journal Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS).

Zeitleiste der Kolonisierung

Die Forschung konzentriert sich auf das Vorfeld des Midtre Lovénbreen, eines zurückweichenden Talgletschers im Nordwesten Spitzbergens. Dr. James Bradley, der 2013 erstmals an der Stelle arbeitete, sagte: „Vor einem Jahrzehnt lief ich auf dem Eis und bohrte Eiskerne in den Gletscher. Als wir 2021 zurückkehrten, war der Gletscher geschrumpft und statt Eis gab es karge, scheinbar leblose Böden.“

Doch bei Laboranalysen dieser Böden stellten die Forscher fest, dass sie unglaublich vielfältige Mikrobengemeinschaften enthalten, die kleinsten und einfachsten Lebensformen auf der Erde.

Die neu freigelegten Gebiete eignen sich ideal für die Erforschung schrittweiser Veränderungen im Boden, da sie ein natürliches Labor zur Beobachtung der verschiedenen Stadien der Bodenentwicklung sind. Der Boden näher am Gletscherrand ist der jüngste, und der Boden weiter weg vom zurückweichenden Gletscher ist schrittweise älter – dort ist mehr Zeit vergangen, sodass das Leben das Gelände besiedeln konnte.

„Dies sind einige der unberührtesten, empfindlichsten und verletzlichsten Ökosysteme auf dem Planeten und sie werden schnell von spezialisierten Mikroben besiedelt, obwohl sie extremen Temperaturen, Lichtverhältnissen, Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit ausgesetzt sind“, sagte Dr. Bradley.

Die Wissenschaftler gewöhnten sich an die Mitternachtssonne und das oft wechselhafte Wetter und arbeiteten wochenlang auf dem felsigen und unebenen Gelände des Gletschervorfelds, umgeben von Eisspalten, einem Fjord, in dem Zwergwale und Robben leben, und einer Tundra, die von Polarfüchsen, Rentieren und Eisbären bewohnt wird. Die Forscher sind darin geschult, das Verhalten von Eisbären zu erkennen und sicher mit Schusswaffen umzugehen, falls sie bei ihrer Arbeit in der abgelegenen arktischen Umgebung auf einen Bären treffen.

Pionierpilze binden Kohlenstoff im Boden

Bradleys Team untersuchte die mikrobielle Zusammensetzung der Böden durch DNA-Analyse und maß gleichzeitig den Kreislauf und Fluss von Kohlenstoff und Stickstoff. Durch Experimente mit isotopenmarkierten Aminosäuren konnten sie die mikrobielle Assimilation und den Stoffwechsel von organischem Kohlenstoff genau verfolgen.

„Uns hat besonders interessiert, welchen Anteil des Kohlenstoffs die Mikroorganismen als Biomasse im Boden binden und wie viel sie als Kohlendioxid wieder in die Atmosphäre abgeben“, sagt Juan Carlos Trejos-Espeleta, der Hauptautor der Studie von der Ludwig-Maximilians-Universität München.

Dabei konzentrierten sie sich vor allem auf Pilze – eine Gruppe von Mikroorganismen, von denen bekannt ist, dass sie oft besser als Bakterien in der Lage sind, viel Kohlenstoff im Boden zu speichern und dort zu halten. Das Verhältnis von Pilzen zu Bakterien ist ein wichtiger Indikator für die Kohlenstoffspeicherung: Mehr Pilze bedeuten mehr Kohlenstoff im Boden, während mehr Bakterien im Allgemeinen dazu führen, dass der Boden mehr CO2 ausstößt.

„In hocharktischen Ökosystemen ist die Vielfalt der Pilze im Vergleich zu den Pflanzen besonders hoch, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Pilzgemeinschaften dort eine Schlüsselrolle als Ökosystem-Ingenieure spielen könnten“, sagte Autor Professor William Orsi von der Ludwig-Maximilians-Universität München.

Um genaue Vorhersagen darüber treffen zu können, wie terrestrische Ökosysteme in der Arktis auf die künftige Erwärmung reagieren werden, ist es entscheidend, mehr über die Kohlenstoffassimilationsprozesse von Pilz- und Bakterienpopulationen sowie über die Kohlenstoffflussprozesse im Ökosystem zu erfahren.

Und tatsächlich konnten die Forscher zeigen, dass Pilze – genauer gesagt bestimmte Basidiomyceten-Hefen – bei der frühen Stabilisierung des assimilierten Kohlenstoffs eine entscheidende Rolle spielen. Sie sind der Studie zufolge die Pilzpioniere in den jungen nacheiszeitlichen Böden und tragen entscheidend zur Anreicherung von organischem Kohlenstoff bei.

„Wir haben festgestellt, dass diese spezialisierten Pilze nicht nur in der Lage sind, die rauen arktischen Landschaften vor allen anderen komplexeren Lebensformen zu besiedeln, sondern dass sie auch Halt für die Entwicklung des Bodens bieten, indem sie eine Basis aus organischem Kohlenstoff aufbauen, die anderes Leben nutzen kann“, sagte Dr. Bradley.

In älteren Böden dominieren zunehmend Bakterien die Aminosäureassimilation, was zu einer deutlichen Verringerung der Biomassebildung und einem Anstieg der CO2-Emissionen durch die Atmung führt.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Pilze künftig eine entscheidende Rolle bei der Kohlenstoffspeicherung in arktischen Böden spielen werden, da die Gletscher weiter schrumpfen und ein größerer Teil der Erdoberfläche mit Erde bedeckt ist“, fasst Prof. Orsi zusammen.