Wissenschaftler*innen der Kölner Uni erforschen, erkunden und erleben Köln. Sie beschäftigen sich mit Flora, Fauna und nicht zuletzt den Bewohner*innen der Stadt gestern und heute. Über Interessantes, Skurriles, Typisches oder auch weniger Bekanntes berichten sie in dieser Rubrik. Dieses Mal erklärt Professor Dr. Michael Bonkowski vom Institut für Zoologie, welche Rolle Mikroorganismen in Boden spielen – und das nicht nur in Köln.
Ende des vergangenen Jahres beherrschte ein übler Geruch den Vorplatz der Universität. Er stieg auf, als im Zuge der Bauarbeiten auf dem Albertus-Magnus-Platz die Bodenplatten entfernt wurden. In der Abwesenheit von Sauerstoff war der Boden unter den Platten in eine mikrobielle Gärung übergegangen, die zu dem charakteristischen Geruch führte, der noch beim Betreten des Hauptgebäudes für gerümpfte Nasen sorgte.
Dem olfaktorischen Angriff zum Trotz: Unsere Böden sind mit das Kostbarste, was wir haben. Wussten Sie, dass in einer Handvoll Erde mehr Organismen leben als Menschen auf dem Planeten? Unser Erdreich entscheidet darüber, ob unsere Felder fruchtbar sind, ob unser Wasser sauber bleibt – und sogar darüber, wie sich das Klima entwickelt. In Köln wird im Herbst jedoch allerorts mit Laubbläsern der Boden »gereinigt«, und in meinem Stadtviertel macht sogar eine Gärtnerei Werbung für versiegelte Steingärten. Wir vergessen dabei, wie lebenswichtig Boden für uns Menschen ist.
Lassen Sie den Laubbläser im Keller
Wie funktioniert Boden? Was macht Bodenfruchtbarkeit aus? Ein Beispiel: In einem typischen Laubwald übersteigt die Biomasse der Regenwürmer das zehnfache aller oberirdischer Wirbeltiere, mit Dichten bis zu 250.000 Individuen pro Hektar. Diese Anzahl ist notwendig, um die jährlich anfallenden circa vier Tonnen Laub pro Hektar in einem Wald zu zersetzen und die darin gebundenen Nährstoffe für die Pflanzen wieder verfügbar zu machen. So ein Mullboden mit vielen Regenwürmern ist krümelig und gut durchlüftet; bei Starkregen kann das Wasser schnell und tief in den Boden eindringen. Fehlen Regenwürmer, entsteht ein Moderboden – die Laubstreu bleibt als Schicht auf der Bodenoberfläche liegen und wird nur sehr langsam mineralisiert. Lassen Sie den Laubbläser also lieber im Keller und verwandeln Sie ihren Boden nicht in eine Steinwüste – dafür ist er viel zu wertvoll.
Auch auf dem Land müssen wir unsere Böden pflegen, denn sie sind eine endliche Ressource. Sie entstehen über Jahrhunderte hinweg über Verwitterung, Tonverlagerung und durch die langsame Anreicherung organischer Substanz – aus Pflanzenresten, die von Bodentieren und Mikroorganismen zersetzt und umgewandelt werden. Doch wie genau organische Substanz gebildet und damit Kohlenstoff gespeichert wird, war lange unklar. Man nahm an, dass Bodenhumus einfach das Endprodukt dieses Abbaus ist – also das, was übrig bleibt, nachdem Regenwürmer und Mikroorganismen organisches Material immer weiter zersetzen, bis nur noch schwer abbaubare, stabile Kohlenstoffverbindungen verbleiben.
Diese Vorstellung ist nicht mehr haltbar, denn neue Forschung zeigt, dass der größte Teil des stabilen Bodenhumus nicht aus Pflanzen stammt, sondern aus den Überresten abgestorbener Mikroorganismen – Bakterien und Pilze. Diese »mikrobielle Nekromasse « entsteht, wenn Mikroorganismen Pflanzenmaterial aufnehmen, in ihre eigene Biomasse umwandeln und nach ihrem Absterben im Boden zurücklassen. In Köln unterwegs Der verborgene Reichtum unter unseren Füßen Ihre Zellbestandteile werden von mineralischen Oberflächen, insbesondere Tonpartikeln, gebunden und können so über Jahrhunderte stabil bleiben. Während Pflanzenreste vergleichsweise schnell abgebaut werden, bildet mikrobielle Nekromasse einen langlebigen Grundbaustein des Humus.
Kritische Schwelle für den Kohlenstoffgehalt
Damit stabile organische Substanz entstehen kann, muss Pflanzenmaterial daher zunächst möglichst effizient in mikrobielle Biomasse – und schließlich in Nekromasse – umgewandelt werden.
Wie gut dieser Prozess funktioniert, hängt stark vom Zustand des Bodens ab. In einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt untersuchten mein Team und ich den Aufbau organischer Substanz in Ackerböden, die nach dem Braunkohletagebau in Inden (NRW) rekultiviert wurden. Entlang einer Chronosequenz von 0 bis 60 Jahren konnten wir Böden vergleichen, die alle aus dem gleichen Lössmaterial entstanden sind, sich aber im Laufe der Zeit unterschiedlich entwickelt haben. Während frisch rekultivierte Flächen und intensiv genutzte Ackerböden sehr humusarm sind, haben insbesondere Randstreifen über die Jahre mehr organische Substanz aufgebaut.
Dabei zeigte sich ein klarer Wendepunkt bei etwa 1 Prozent Kohlenstoffgehalt: Unterhalb dieser Schwelle arbeiten Mikroorganismen ineffizient. Sie müssen große Mengen an Enzymen produzieren, um die ohnehin knappe organische Substanz zu erschließen. Ein Teil dieser Enzyme wird jedoch von noch ungesättigten mineralischen Oberflächen gebunden und steht den Mikroorganismen nicht mehr zur Verfügung. Der hohe Energieaufwand führt dazu, dass viel Kohlenstoff als CO₂ veratmet wird, während nur wenig Biomasse und damit kaum stabile Nekromasse entsteht. Erst ab etwa 1 Prozent Kohlenstoffgehalt ändert sich die Situation grundlegend: Die mikrobielle Effizienz steigt deutlich. Weniger Kohlenstoff wird veratmet, mehr wird in Biomasse eingebaut – und damit die Grundlage für stabilen Humus geschaffen.
Diese Erkenntnis ist für die Landwirtschaft von zentraler Bedeutung. Ackerböden mit weniger als 1 Prozent Kohlenstoff sind äußerst ineffizient in der Kohlenstoffspeicherung. Selbst wenn organisches Material wie Erntereste oder Kompost zugeführt wird, geht ein Großteil des Kohlenstoffs wieder verloren – weil die Mikro-organismen ihn veratmen. Erst ab dem kritischen Schwellenwert setzt ein stabiler, sich selbst verstärkender Prozess ein: mehr Kohlenstoff ermöglicht mehr mikrobielle Biomasse – und diese wiederum führt zu mehr stabilem Humus.
Um Böden gezielt in stabile Kohlenstoffsenken zu entwickeln, reicht es daher nicht aus, lediglich organisches Material zuzuführen. Entscheidend ist vielmehr, den Kohlenstoffgehalt über den kritischen Schwellenwert von 1 Prozent anzuheben und zugleich die Nährstoffversorgung gezielt zu optimieren. Damit dies in der Praxis umgesetzt werden kann, sind unter anderem Anpassungen der gesetzlichen Rahmenbedingungen – insbesondere der Landesdüngeverordnung – erforderlich: neue Forschung zeigt, dass auch höhere Kompostmengen auf den Feldern nicht zwangsläufig zu steigendem Nitratwerten führen. Die Vorteile bei der Kohlenstoffspeicherung wären jedoch beträchtlich. Nur unter diesen Voraussetzungen kann die Mikroflora effizient arbeiten und dauerhaft stabilen Bodenhumus aufbauen.