Wasseranalytik

Veränderungen in Ökosystemen im Bodenwasser erkennen

Bodenwässer enthalten Informationen über Vorgänge und Veränderungen in Ökosystemen. Ihre Analyse könnte als Frühwarnsystem für solche Veränderungen genutzt werden.

Molekulare Veränderungen des Bodenwassers mit der Tiefe können schon mit dem bloßen Auge sichtbar sein. © Gerd Gleixner, MPI-BGC

Ein Wissenschaftlerteam, geleitet vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, ist den Geheimnissen der im Boden gelösten organischen Verbindungen ein großes Stück näher gekommen. Die in Nature Geoscience aktuell veröffentlichte Studie zeigt, dass die gelösten Moleküle nicht etwa stabile Abbauprodukte darstellen. Sie werden umgekehrt als kontinuierliche Zwischenprodukte verschiedenster mikrobieller Auf- und Abbauaktivitäten gebildet, während sie mit dem Wasser den Boden passieren. Die organischen Moleküle geben daher Aufschluss über biogeochemische Vorgänge im Boden, den Zustand ganzer Ökosysteme und Umweltveränderungen.

Unsere Böden sind von großer Bedeutung für das Klima. Sie spielen eine Schlüsselrolle beim Zusammenspiel zwischen Atmosphäre, Pflanzen, und den bodenbewohnenden Mikroorganismen, und kontrollieren dadurch den Austausch von Kohlendioxid zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre. Abhängig von Klima und Bewirtschaftung ändert sich die Aktivität von Bodenmikroorganismen, welche Pflanzenreste zersetzen und damit Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre freisetzen. Die biogeochemischen Prozesse zwischen den Pflanzen, der Atmosphäre und den Boden-Mikroorganismen werden durch tausende verschiedene, im Wasser gelöste organische Stoffe vermittelt, die dabei als Träger von Energie und Nährstoffen wirken. Eine detaillierte Analyse dieser gelösten organischen Stoffe kann Informationen über die Vorgänge im Ökosystem liefern.

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Der Wasserkreislauf verknüpft Vorgänge des Ökosystems
Im Bodenwasser sind diese Informationen verfügbar: Die Biosphäre auf der Landoberfläche ist durch den Boden bis hin zum Grundwasser durch Wasserflüsse miteinander verbunden. In Analogie zum Blutkreislaufsystem tierischer Organismen sind daher die Stoffflüsse des Ökosystems und die daran beteiligten Prozesse im Bodenwasser nachvollziehbar. Um diese Informationen „lesen“ zu können, untersuchten die Wissenschaftler Bodenwasser mittels ultra-hochauflösender Massenspektrometrie in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Thorsten Dittmar an der Universität Oldenburg. Dr. Vanessa-Nina Roth, ehemalige Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Biogeochemie und Erstautorin der Studie, erklärt: „Mit dieser hochsensiblen Technik können wir erstmals bis zu zehntausend verschiedene Moleküle in einer Wasserprobe erfassen; zusätzlich können wir auch bestimmen, aus welchen Atomen die verschiedenen Moleküle bestehen.“ Über ihre Zusammensetzung werden auch Eigenschaften der Moleküle, wie Größe und Struktur erkannt, und damit deren Klassifizierung und wahrscheinliche Funktion.

„Alles fliesst“ bei organischen Verbindungen im Boden
Roth und ihre Kollegen konnten erstmals zeigen, dass die gelösten organischen Moleküle ständigen Veränderungen unterliegen und neu eingetragene organische Verbindungen während ihrer Passage im Boden kontinuierlich ab- und umgebaut aber auch wieder zusammengesetzt werden. Die frühere Lehrmeinung, dass sich im Bodenwasser hauptsächlich stabile, nicht mehr umsetzbare Abbauprodukte anhäufen, war somit widerlegt. Dr. Markus Lange, federführender Autor der Studie am Max-Planck-Institut führt weiter aus: „Sobald wir wissen, wie sich die gelösten organischen Moleküle verändern, können wir auf die Prozesse rückschließen, die zu diesen Veränderungen beigetragen haben. So bekommen wir einen tieferen Einblick in das Zusammenspiel von Pflanzen und Bodenorganismen.“ Letzteres ist für die Forscher von großem Interesse, da es Aufschluss über wichtige Umweltprozesses gibt. Die Mikroorganismen zersetzen die pflanzlichen Abfälle, recyceln die organischen Verbindungen und stellen neue Moleküle zur Verfügung. Dabei gehen sie selektiv vor, indem sie den Pflanzen stickstoffhaltige Verbindungen liefern und Kohlenstoff an Mineralien binden. Damit sind sie ein zentrales Bindeglied im Kohlenstoff- und Nährstoffkreislauf der Böden.

Wasseranalytik ermöglicht Erkenntnisse für Ökosysteme
Lange resümiert: „Die Entschlüsselung der im Bodenwasser gelösten organischen Stoffe auf molekularer Ebene ist deshalb ein bedeutender Schritt, um die Funktionsweise von Ökosystemen zu verstehen.“ Nach Meinung der Forscher ist die hier verwendete ultra-hochauflösende Massenspektrometrie ein wichtiges Werkzeug in der Umweltforschung und -analytik, welches zukünftig entscheidend dazu beitragen wird, Stoffkreisläufe und Veränderungen in Ökosystemen besser zu verstehen. Prof. Dr. Gerd Gleixner, Leiter der Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut und Initiator der Studie, erläutert: „Dass wir nun auf molekularer Ebene besser erkennen können, wie Pflanzen, Mikroorganismen und der Boden miteinander interagieren, ermöglicht uns, genauer und viel schneller abzuschätzen, wie Ökosysteme mit den sich verändernden Umweltbedingungen wie extremer Hitze oder Trockenheit umgehen. Damit sind wir dem Etablieren eines Frühwarnsystems für Ökosystem-Veränderungen einen großen Schritt näher gekommen.“

Die Studie wurde am 05.08.2019 in der Fachzeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht. Dem internationalen Forscherteam gehörten weiterhin an: Dr. Norbert Hertkorn (Helmholtz Zentrum München, Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt), Robert I. Griffiths und Timothy Goodall (Centre for Ecology & Hydrology in Wallingford, Großbritannien), Liesje Mommer, Natalie J. Oram (Universität Wageningen, Niederlande), Alexandra Weigelt (Universität Leipzig) und Carsten Simon, Sebastian Bucher und Perla G. Mellado-Vázquez (Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena).

Originalpublikation:
Persistence of dissolved organic matter explained by molecular changes during its passage through soil
Vanessa-Nina Roth, Markus Lange, Carsten Simon, Norbert Hertkorn, Sebastian Bucher, Timothy Goodall, Robert I. Griffiths, Perla G. Mellado-Vázquez, Liesje Mommer, Natalie J. Oram, Alexandra Weigelt, Thorsten Dittmar, Gerd Gleixner
NatureGeoscience, doi 10.1038/s41561-019-0417-4

Quelle: Max-Planck-Institut für Biogeochemie

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