"Kryptischer" Schwefelkreislauf

Der Schwefelkreislauf in Mooren wurde lange von der Forschung nahezu negiert, weil die involvierten Schwefelbakterien nur in sehr geringen Mengen vorkommen. Doch das sagt wenig über ihre Effizienz: An der Uni Wien erforscht Alexander Loy, wie wichtig dieser Kreislauf für Moorgebiete tatsächlich ist.

Feuchtgebiete zählen zu den besonders komplexen Ökosystemen der Erde. Sie machen rund sieben Prozent der Landfläche aus, binden dabei aber rund ein Drittel des weltweiten Kohlenstoffs in Böden. "Deshalb sind sie gerade im Hinblick auf den Klimawandel enorm wichtig. Wir wissen immer noch nicht genau, wie Moore auf den Temperaturanstieg reagieren und wieviel Kohlendioxid und Methan sie dadurch vermehrt freisetzen werden", sagt Alexander Loy vom neuen Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Uni Wien, der sich in einem aktuellen FWF-Projekt intensiv mit der komplexen mikrobiellen Lebensgemeinschaft, dem sogenannten Mikrobiom, in Feuchtgebieten beschäftigt.

Genauer gesagt machen sich der Mikrobiologe und sein Team auf die Suche nach "Schwefelkreislauf-Organismen" u.a. in den Mooren des bayerischen Fichtelgebirges. "Hier versuchen wir erstens zu verstehen, welche Organismen im Schwefelkreislauf überhaupt beteiligt sind und studieren zweitens deren Fressverhalten", erklärt Loy.

Erste Ergebnisse weisen darauf hin, dass neue sulfatreduzierende Mikroorganismen in der Gruppe der Acidobakterien auch komplexere Kohlenstoffmoleküle anknabbern: "Dies wäre eine bislang unbekannte Funktion der Sulfatreduzierer, und sie würden damit eine viel bedeutendere und vielseitigere Rolle beim Abbau von organischem Material einnehmen als bislang angenommen."

uni:view: Warum ist es wichtig, Moore und ihre mikrobielle Artenvielfalt zu erforschen und zu schützen?
Alexander Loy: Natürliche Feuchtgebiete sind Kohlenstoffspeicher und nehmen eine Schlüsselfunktion im globalen Klimawandel ein. Dies verdanken sie ausschließlich ihren zahlreichen mikroskopischen Bewohnern. Denn die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Mitgliedern dieses Mikrobioms bestimmen, wieviel von der in Feuchtgebieten gespeicherten organischen Substanz abgebaut wird und wieviel Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan sie jetzt und in Zukunft in die Atmosphäre entlassen. Mikrobielle Artenvielfalt zu untersuchen heißt, die funktionelle Vielfalt von Mikrobiomen zu kennen und die Auswirkungen des menschengemachten Klimawandels besser zu verstehen. Die Renaturierung trockengelegter Feuchtgebiete fördert mikrobielle Vielfalt und ist gleichzeitig durch die Restaurierung dieser natürlichen Kohlenstoffspeicher aktiver Klimaschutz.

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Negierter Schwefelkreislauf

Mikroorganismen spielen bei der Freisetzung von CO2 und Methan in Feuchtgebieten eine wesentliche Rolle: Je nachdem, welche organischen Materialen von welchen mikrobiellen Lebensgemeinschaften abgebaut werden, entsteht entweder CO2 oder Methan. "Methan ist das weitaus potentere, d.h. gefährlichere Treibhausgas als CO2. Geschätzt wird, dass es etwa ein Viertel des Klimawandels verursacht", so Loy. Daher wird gerade der Methanhaushalt von Klimaforscher*innen intensiv untersucht.

Doch die Stoffwechselkreisläufe rund um CO2 und Methan sind nicht die einzigen wichtigen Wechselwirkungen in Feuchtgebieten. "Dazu gehört der Schwefelkreislauf, der nach wie vor von der Forschung nahezu negiert wird, weil die Mikroorganismen, die Sulfat veratmen, in so geringen Mengen vorkommen", erklärt der Mikrobiom-Experte: "Besser erforscht ist der Schwefelkreislauf in Meeren, wo Sulfat in hoher Konzentration vorkommt und bis zu 50 Prozent der organischen Substanz im Meeresboden über die Sulfatreduktion mineralisiert wird. Unsere bisherige Forschung zeigt aber, dass der Schwefelkreislauf auch in den Feuchtgebieten eine ähnlich wichtige Funktion hat. Den daran beteiligten Mikroorganismen wollen wir im FWF-Projekt genauer nachgehen."

Konkurrenz unter Mikroorganismen

"Das geringe Vorkommen von Mikroorganismen wie etwa der Schwefelbakterien sagt nichts darüber aus, wie wichtig der Schwefelkreislauf tatsächlich für die Moore ist", so Loy: "Wesentlich dabei ist die Umsetzungsrate, d.h. die Schnelligkeit der Prozesse. Und im Moor existiert ein sehr schneller Schwefelkreislauf: Die Umsatzraten sind ebenso hoch wie in den marinen Sedimenten, zum Teil auch höher."

Daher sprechen Forscher*innen von einem sogenannten "kryptischen" Schwefelkreislauf, weil er bis vor kurzem einfach übersehen worden ist. Dieser Vorgang ist wichtig für die Mineralisierung des Kohlenstoffs – Mineralisierung heißt, dass der Kohlenstoff in organischen Substanzen zu CO2 oder Methan abgebaut wird – und damit auch für den Klimawandel interessant. Im Zuge des Schwefelkreislaufs wird CO2, aber nicht Methan produziert. Zwischen "Schwefel-Mikroorganismen" und methanogenen Archaeen herrscht ein Kampf um Nährstoffe, dessen Ausgang bestimmt, wieviel Methan aus Mooren ausgestoßen wird. Wie genau die "Schwefel-Mikroorganismen" in Konkurrenz zu den methanogenen Archaeen stehen und damit die Methanbildung unterdrücken, ist auch eine der Forschungsfragen. 

Die seltene Biosphäre

Das Projekt von Alexander Loy liefert zudem neue Erkenntnisse über die sogenannte "seltene Biosphäre": jene Organismen, die in ihrem jeweiligen Ökosystem nur in sehr geringen Mengen vorkommen – zumeist ist ihre Diversität, sprich Artenvielfalt, dagegen sehr hoch. "Die vorherrschende Meinung in der Wissenschaft ist, dass die häufigen Mikroorganismen auch die wichtigen für Ökosystemprozesse sind. Die seltenen hat man als etwas wie eine 'mikrobielle Samenbank' angesehen – sie warten quasi auf bessere Zeiten, um zu wachsen", erklärt der Mikrobiologe: "Nun gibt es aber mehr und mehr Studien, die zeigen, dass diese seltenen Mikroorganismen trotzdem sehr aktiv und damit wichtig für das Ökosystem sind. Die Mikroorganismen im Schwefelkreislauf der Moore sind ein typisches Beispiel dafür." (td)


Das FWF-Projekt "Das Schwefel-Mikrobiom der Feuchtgebiete" unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr. Alexander Loy startete im September 2019 und läuft bis August 2023.