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Moorböden als Batterie
Forscher der ETH Zürich und der Universität Tübingen beschreiben einen Mechanismus, der die Methanbildung in huminstoffreichen Böden unterdrückt. Voraussetzung dafür, dass er spielt, ist eine gelegentliche Zufuhr von Sauerstoff.
Moore haben einen hohen Anteil an Huminstoffen, die beim Abbau von abgestorbener Pflanzenmasse entstehen. Unter sauerstofflosen Bedingungen können Bodenbakterien diese organischen Verbindungen für ihren Energiestoffwechsel verwenden, und zwar als Elektronenempfänger. Denn beim Stoffwechsel werden Elektronen frei, die von den Organismen abgegeben werden müssen. Die Rolle des Elektronenempfängers spielt bei vielen Lebewesen (auch bei uns Menschen) Sauerstoff.
Mitte der 1990er Jahre zeigten Forscher aber auf, dass unter sauerstofflosen Bedingungen, wie sie in nassen Moorböden oder Sedimentsystemen herrschen, auch die Huminstoffe Elektronen aufnehmen können. Die Aufnahmekapazität dieser Moleküle ist allerdings beschränkt. Sind sie nicht mehr in der Lage, die freien Elektronen aufzunehmen, suchen sich die Bakterien andere Empfänger wie Kohlendioxid. «Veratmen» die Mikroorganismen das Kohlendioxid, entsteht als Stoffwechselabfallprodukt Methan, ein sehr potentes Klimagas. Dadurch tragen Feuchtgebiete wie Moore 15 bis 40 Prozent zur weltweiten Methanfreisetzung bei. Dennoch ist in vielen Feuchtgebieten die Methanfreisetzung niedriger als man aufgrund der Fläche, welche diese Ökosysteme bedecken, und der mikrobiellen Aktivität in diesen Systemen erwarten würde.
Forschende um Michael Sander, Senior Scientist in der Gruppe Umweltchemie von ETH-Professor Kristopher McNeill, haben nun in einer in «Nature Geoscience» veröffentlichten Studie einen Prozess aufgezeigt, der die vergleichsweise geringen Methanfreisetzungen erklären kann.
Elektronen wechseln auf Sauerstoff
Mithilfe eines Modellsystems demonstrierten sie, dass die Elektronenaufnahmekapazität der Huminstoffe regeneriert werden kann, wenn dem System zeitweilig Sauerstoff zugeführt wird. Dadurch geben die organischen Substanzen ihre unter sauerstofflosen Bedingungen gesammelten Elektronen an den Sauerstoff ab, was die Aufnahmekapazität der Huminstoffe auf ihren Anfangswert ansteigen lässt. Bei erneutem Ausschluss von Sauerstoff können die Bakterien die Huminstoffe dann wieder als Elektronenempfänger nutzen statt Elektronen auf Kohlenstoffdioxid zu übertragen. So verhindert dieser Kreislauf, dass Mikroorganismen in natürlichen Systemen mit hohem Anteil an organischen Substanzen dauerhaft hohe Mengen an Methan bilden.
In ihrem Labormodell verwendeten die Forscher das Bakterium Shewanella oneidensis MR-1, das ursprünglich aus dem Sediment eines New Yorker Sees isoliert wurde und im Labor gut kultivierbar ist. Dieses Bakterium ist fakultativ anaerob, kann also sowohl unter sauerstofflosen Bedingungen als auch mit Sauerstoff leben. Als Elektronenempfänger setzten die Wissenschaftler verschiedene gut untersuchte Huminstoffe ein.
Vergleichbare Mechanik in Mooren
Die Ergebnisse dieser Studie helfen, die Kohlenstoffdynamik in natürlichen Feuchtgebieten, die periodisch sauerstofflos sind, besser zu verstehen. Der nun beschriebene Mechanismus spielt sich in grossem Massstab etwa in Hochmooren oder Sedimenten ab. Fällt zum Beispiel in einem Moor der Wasserstand zeitweise ab, gelangt Sauerstoff in dieses System. Die dort reichlich vorhandenen Huminstoffe, die zuvor unter Sauerstoffausschluss Elektronen speicherten, können diese abgeben und ihre Aufnahmekapazität regenerieren. Auf diese Weise funktionieren solche Umweltsysteme wie gigantische Akkus, die sich periodisch laden und entladen. Dieser Wechsel wiederum unterdrückt die Bildung von Methan.
Sander und seine Mitautorinnen haben überdies Prozentanteile berechnet, wie viel zusätzliches Methan aus Mooren in die Atmosphäre gelangen würde, würde sich die Aufnahmekapazität der Huminstoffe nicht regenerieren. So haben sie zunächst für Moore abgeschätzt, wie viele Elektronen diese organischen Moleküle aus dem bakteriellen Stoffwechsel aufnehmen können. Ihr Fazit: Wenn die überschüssigen Elektronen nicht auf Huminstoffe sondern auf Kohlendioxid übertragen werden, könnten aus Feuchtgebieten zusätzlich zum gemessenen «Grundausstoss» bis zu 166 Prozent mehr Methan entweichen. «Das zeigt, dass der Elektronentransfer auf Huminstoffe und deren Regeneration ein bedeutender Umweltfaktor sind», sagt Sander. Um diesen Prozess noch besser zu verstehen, werden ihn die Forschenden im Labor und im kommenden Sommer in einem naturbelassenen Hochmoor in Mittelschweden untersuchen.
Literaturhinweis
Klüpfel L, Piepenbrock A, Kappler A, Sander M. Humic substances as fully regenerable electron acceptors in recurrently anoxic environments. Nature Geoscience 7,195–200(2014); DOI: 10.1038/ngeo2084