Steigende Temperaturen verändern das „fehlende Glied“ mikrobieller Prozesse und gefährden die nördlichen Torfgebiete

Wenn Sie ein begeisterter Gärtner sind, haben Sie vielleicht Torfmoos in Betracht gezogen – zersetztes Sphagnum-Moos, das hilft, Feuchtigkeit im Boden zu halten – um Ihre heimische Bodenmischung zu verbessern. Und während das Blumenerde das Gedeihen von Pflanzen unterstützen kann, ist es auch ein Schlüsselbestandteil von Torfgebieten: Feuchtgebiete, die durch eine dicke Schicht aus wassergesättigtem, kohlenstoffreichem Torf unter lebenden Torfmoosen, Bäumen und anderen Pflanzen gekennzeichnet sind.

Diese Ökosysteme bedecken nur 3 % der Landfläche der Erde, aber „Torfgebiete speichern über ein Drittel des gesamten Bodenkohlenstoffs auf dem Planeten“, erklärt Joel Kostka, Professor und stellvertretender Lehrstuhl für Forschung an der School of Biological Sciences der Georgia Tech.

Diese Kohlenstoffspeicherung wird zu einem großen Teil von Mikroben unterstützt. Insbesondere zwei mikrobielle Prozesse – Stickstofffixierung und Methanoxidation – schaffen ein empfindliches Gleichgewicht, indem sie zusammenarbeiten, um Torfmoosen Zugang zu kritischen Nährstoffen in nährstoffarmen Torfgebieten zu verschaffen.

Die Kopplung dieser beiden Prozesse wird oft als „missing link“ des Nährstoffkreislaufs in Mooren bezeichnet. Allerdings ist unklar, wie diese Prozesse auf das sich ändernde Klima entlang der nördlichen Breiten reagieren werden.

„Es gibt tropische Moore – aber die meisten Moore befinden sich in nördlichen Umgebungen“, bemerkt Caitlin Petro, eine Forschungswissenschaftlerin, die mit Kostka in Biological Sciences am Tech zusammenarbeitet. „Und die werden vom Klimawandel stärker getroffen.“

Kostka und Petro führten kürzlich eine gemeinsame Studie durch, um zu untersuchen, wie diese kritische Art von Ökosystem (und das „fehlende Glied“ der mikrobiellen Prozesse, die es unterstützen) auf die mit dem Klimawandel vorhergesagten erhöhten Temperaturen und Kohlendioxidwerte reagieren könnten. Das Team, dem auch Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL), der Florida State University und der University of Tennessee, Knoxville, angehören, hat gerade seine Arbeit in veröffentlicht Biologie des globalen Wandels.

Durch das Testen der Auswirkungen von steigender Temperatur und Kohlendioxid auf das Wachstum von Sphagnum-Moos, das damit verbundene Mikrobiom und die allgemeine Gesundheit des Ökosystems sagen Kostka und Petro, dass Computermodelle besser gerüstet sein werden, um die Auswirkungen des Klimawandels vorherzusagen.

„Später“, fügte Kostka hinzu, „hoffen wir, dass die Ergebnisse von Umweltmanagern und Regierungen genutzt werden können, um Torfgebiete adaptiv zu bewirtschaften oder geotechnisch zu verändern, damit sie in einer wärmeren Welt gedeihen.“

Erhöhung der Hitze

Um zu sehen, wie nördliche Moore auf den Klimawandel reagieren werden, wandte sich das Team, zu dem auch die außerordentliche Professorin Jennifer Glass der School of Earth and Atmospheric Sciences gehörte, dem ORNL-Experiment Spruce and Peatland Responses Under Changing Environments (SPRUCE) zu – einem einzigartigen Feldlabor im Norden Minnesota, wo das Team Torfmoore erwärmt und experimentell die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre verändert.

Ab 2016 setzte das Team verschiedene Teile der experimentellen Moore von SPRUCE einem Gradienten höherer Temperaturen zwischen 0 °C und 9 °C aus und erfasste den von den Modellen des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen vorhergesagten Anstieg von 4 °C bis 6 °C in den nördlichen Regionen bis 2100.

Die Reaktion des Mooses war signifikant. Obwohl zu Beginn des Experiments fast 100 % der Mooroberfläche mit Moos bedeckt war, nahm die Moosbedeckung mit jedem Temperaturanstieg ab und sank unter den wärmsten Bedingungen auf weniger als 15 %.

Entscheidend ist, dass die beiden zuvor konsequent verknüpften mikrobiellen Prozesse bei höheren Temperaturen nicht mehr synchron waren.

„Moorböden sind extrem nährstoffarm und die mikrobielle Stickstofffixierung stellt einen großen Stickstoffeintrag in das Ökosystem dar“, erklärt Kostka. Das Fixieren von Stickstoff ist der Prozess, atmosphärischen Stickstoff in eine organische Verbindung umzuwandeln, die das Moos für die Photosynthese verwenden kann, während die Methanoxidation es dem Moos ermöglicht, Methan, das aus der Zersetzung von Torf freigesetzt wird, als Energie zu nutzen.

„Die Methanoxidation fördert die Stickstofffixierung und fängt gleichzeitig ein wirklich wichtiges Treibhausgas ab, bevor es in die Atmosphäre freigesetzt wird. Diese Studie zeigt, dass diese beiden Prozesse, die durch das Sphagnum-Mikrobiom katalysiert werden, getrennt werden, wenn das Moos stirbt.“

„Diese gemeinsam stattfindenden Prozesse sind wirklich wichtig für die Gemeinschaft“, erklärte Petro. Doch viele Mikroben, die sowohl Stickstoff fixieren als auch Methan oxidieren können, fehlten in den Moosen, die in Gehegen mit höheren Temperaturen gesammelt wurden. Und während erhöhte Kohlendioxidwerte einige der durch die Erwärmung verursachten Veränderungen im Stickstoffkreislauf auszugleichen schienen, blieb die Entkopplung dieser Prozesse bestehen.

„Diese Behandlungen verändern ein ziemlich gut definiertes und konsistentes Pflanzenmikrobiom, das wir in vielen verschiedenen Umgebungen finden und das diese konsistente Funktion hat“, erklärte Petro. „Es ist wie ein kompletter funktionaler Wandel in der Gemeinschaft.“

Obwohl nicht klar ist, welche dieser Veränderungen – das Moossterben oder die veränderte mikrobielle Aktivität – die andere antreibt, ist klar, dass mit wärmeren Temperaturen und höheren Kohlendioxidwerten eine Kaskade unvorhersehbarer Folgen für Torfmoore einhergeht.

„Zusätzlich zu den direkten Auswirkungen der Klimaerwärmung auf die Ökosystemfunktion“, fügt Petro hinzu, „wird es auch all diese Nebeneffekte einführen, die Torfgebiete auf eine Weise beeinflussen werden, die wir vorher nicht vorhergesagt haben.“