Leben auf trockenem Boden

Bodenmikroorganismen überstehen auch Durststrecken, doch ihre Artenvielfalt ist bedroht

TEXT: USCHI SORZ
vom 08.07.2020

In der Wüste knirscht jeder Schritt. Das Geräusch habe sie noch immer in den Ohren, wenn sie an ihren Forschungsaufenthalt dort denke, erzählt Dagmar Wöbken von der Universität Wien. "Man hört förmlich, dass die oberste Schicht aus Krusten besteht." In dieser untersucht das Team der Mikrobiologin in der Wüste Negev Bakterien, die das Leben im Boden instandhalten, indem sie unter anderem Stickstoff und Kohlenstoff aus der Atmosphäre in ihm binden. "Sie sorgen außerdem dafür, dass der Sand nicht einfach weggeweht wird", erklärt Wöbken. "Es verhindert Erosionen."

Das Spezialgebiet der Assistenzprofessorin am Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft sind Funktion und Physiologie von Bodenmikroorganismen. "Der Boden ist unsere Überlebensgrundlage. Mikroorganismen spielen darin die entscheidende Rolle." Damit sind Kleinstlebewesen wie Archaeen, Bakterien oder Pilze gemeint, deren Aktivität lebenswichtige Umwandlungs-und Abbauprozesse in der Natur steuert und so zur Stabilität von Ökosystemen beiträgt. Tatsächlich sind ihre Überlebensstrategien verblüffend.

Die Strategien der winzig kleinen Lebewesen

Sogar unter günstigen klimatischen Bedingungen müssen die Winzlinge enorm widerstandsfähig sein. Hunger, aber auch Durst sind sie gewöhnt. Bei Trockenheit fehlt ihnen nicht nur Wasser für wichtige Prozesse in ihrem Zellstoffwechsel; zur Aufnahme von Nährstoffen benötigen sie auch einen Wasserfilm um ihre Zellen. Die unregelmäßigen Niederschläge verlangen den unsichtbaren Bodenbewohnern eine weitere Fähigkeit ab: Sie dürfen bei plötzlichem Regen nicht platzen. Gegen diesen sogenannten osmotischen Stress wappnen sie sich durch kleine organische Moleküle, die sie in Dürrezeiten entweder aufnehmen oder selbst herstellen können. Werden sie irgendwann nass, geben sie diese einfach wieder ab.

Die Durststrecke selbst überdauern sie durch vorübergehendes Herunterfahren ihrer Stoffwechselaktivität. "Normalerweise sind nur etwa dreißig Prozent der Mikroorganismen in Böden aktiv, der Rest befindet sich im Ruhezustand", erklärt Wöbken. So erhalten sie als "mikrobielle Samenbank" - ähnlich wie Pflanzen mit ihren Samen - den Fortbestand ihrer Artenvielfalt.

Seit 2015 untersucht Wöbken in einem vom Europäischen Forschungsrat (ERC) geförderten Projekt das breite Repertoire, über das Mikroorganismen für dieses Überdauern verfügen. Einige setzen auf Sporenbildung. "Andere Mikroorganismen häufen stattdessen Zucker, Ionen und Enzyme in der Zelle an, die Proteine und DNA schützend umhüllen, wenn Wasser verdampft." Fällt nach einer Dürrephase wieder Regen, werden nicht alle gleichzeitig wieder aktiv, sondern verschiedene Gruppen reaktivieren sich in einer bestimmten Abfolge, abhängig von ihrer jeweiligen Strategie. Am schnellsten sind jene, die sich die zellulären "Proteinfabriken", die Ribosomen, während der Trockenzeit erhalten konnten. Andere müssen erst wieder Ribosomen aufbauen, weil sie diese zuvor sozusagen als Notration verspeist haben. "Man beobachtet hier ganz spezielle Muster", berichtet Wöbken.

An Acidobakterien, einer der weltweit häufigsten Gruppen von Bodenbakterien, erforscht ihre Arbeitsgruppe außerdem, wie Bodenmikroorganismen Energie aus der Oxidation von atmosphärischem, molekularem Wasserstoff gewinnen. "Wir haben herausgefunden, dass sie das bei Kohlenstoffmangel tun können, um auf diese Weise Hungerphasen zu überstehen." Auch habe sich gezeigt, dass sie extrem flexibel in Bezug auf Sauerstoffbedingungen sind. "Aufgrund bestimmter Enzyme kommen sie auch mit ganz geringen Mengen aus."

Acidobakterien gibt es zwar in Österreich, doch auch von so fremden mikrobiellen Gemeinschaften wie jenen in der Wüste Negev können wir viel lernen. "Diese erstaunliche Fähigkeit, Trockenphasen zu überleben, ist für unsere Böden ebenfalls wichtig. Daher ist es besonders interessant, sich Mikroorganismen anzuschauen, die darauf trainiert sind, mit extrem langen Dürrezeiten fertigzuwerden."

Im Labor wird auch der Wüstenboden grün

In der Klimakammer ihres Labors kann Wöbkens Arbeitsgruppe zum Beispiel beobachten, wie die trockenen, braunen Bodenkrusten aus dem Negev "zum Leben erwachen", sobald man sie mit künstlichem Regen begießt. "Das erkennt man sogar mit bloßem Auge, wenn die darin lebenden Cyanobakterien die Krusten grün färben." Dies sind die eingangs erwähnten Mikroorganismen, die unter anderem den Boden in der Wüste zusammenhalten. China setzt sie gegen Sandverwehungen ein. Das Grün zeigt, dass sie Fotosynthese betreiben können.

Um Details über die maßgeblichen mikrobiellen Stoffwechselvorgänge herauszufinden, entschlüsselten die Wiener Forscher die Erbsubstanz, also das gesamte Genom von etwa hundert in den Krusten enthaltenen Arten und studierten die Prozesse, die bei der "Begrünung" und anschließenden Austrocknung stattfinden. Um zusätzlich zu untersuchen, wann und wie viele dieser Zellen reaktiviert werden, wenden sie nun ein weiteres Analyseverfahren an, die sogenannte hochauflösende Sekundärionen-Massenspektrometrie.

"Diese kultivierungsunabhängigen Methoden sind unentbehrlich, denn bis jetzt lässt sich nur ein kleiner Prozentsatz der Bodenmikroorganismen im Labor züchten", erklärt Wöbken. "Zum Glück ist das aber bei einigen Acidobakterien gelungen." Das habe den entscheidenden Vorteil, dass ihre Forschungsgruppe die theoretischen Vorhersagen aus der Genomsequenzierung auch noch praktisch testen könne.

Gerade sind Wöbken und ihr Team dabei, ihre Erkenntnisse zu Peer-Reviews bei Fachzeitschriften einzureichen. "Das kritische Gegenchecken durch Kollegen und darauffolgende Anpassungen und Ergänzungen sind das Um und Auf in der Wissenschaft." Bis sie validiert sei, brauche Grundlagenforschung einen langen Atem. Doch solches Basiswissen sei eminent wichtig. "Wir wissen immer noch verhältnismäßig wenig darüber, wie diese große Diversität an Bodenmikroorganismen mit Trockenheit zurechtkommt."

Genügt es, wenn die Stärksten überleben?

Was abzusehen ist: "Durch den Klimawandel verlängerte Trockenphasen werden die mikrobiellen Gemeinschaften im Boden verändern." Arten, die besser damit fertigwerden, werden andere verdrängen. Und diese Verschiebungen in der Zusammensetzung können Auswirkungen auf die Prozesse haben, die von Bodenmikroorganismen angetrieben werden. Das kann zum Beispiel beeinflussen, ob dann mehr Kohlenstoff im Boden verbleiben wird, oder ob die Bodenmikroorganismen mehr Kohlenstoff in die Atmosphäre abgeben werden."

Essenziell für einen kontinuierlichen Kohlen-und Stickstoffkreislauf sei in jedem Fall, dass die Funktionen der verschiedenen Kleinstlebewesen einander ergänzen und dass sie optimal zusammenspielen. "Böden sind die diversesten Systeme auf der Erde. Diese Vielfalt ist unabdingbar, um all die Prozesse, von denen der Mensch so stark abhängig ist, stabil ablaufen zu lassen." Übermäßiger Einsatz von Stickstoffdünger in der Landwirtschaft etwa gefährde sie. "Darüber hinaus beeinflussen Monokulturen die Artenvielfalt, da Pflanzen und Mikroorganismen in Gemeinschaft leben." Nicht zuletzt können die mikrobiellen Gemeinschaften auch auf veränderte Wurzelausscheidungen reagieren, wenn sich klimawandelbedingt die Art der Bepflanzung ändert.

Warum aber nicht einfach die effizientesten und anpassungsfähigsten Mikroorganismen gezielt in Böden einsetzen und selbst für die richtige Mischung sorgen? Dagmar Wöbken lacht. "Das ist ganz schön schwierig." Natürlich gebe es immer wieder derartige Bemühungen, etwa um Pflanzen ertragreicher zu machen, aber die bereits etablierten Bodenbewohner ließen sich nicht so leicht vertreiben. "In der Natur herrscht zwischen den Winzlingen ein ständiger Durchsetzungskampf, den natürlich die stärksten gewinnen. Das müssen nicht notwendigerweise diejenigen sein, die der Mensch zu irgendwelchen Zwecken von außen einbringt."

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