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Im überfluteten Permafrostboden erwachen Mikroben langsam aus dem „Eiszeitschlaf“

Probennahme in der Arktis (Foto: A. Kitte, GFZ).

01.09.2017: Der Untergrund weiter Flächen arktischer Flachwasserzonen besteht aus Permafrost. Bisher ist nur wenig darüber bekannt, wie die Mikroorganismen in diesen Böden unterhalb des Meeresspiegels auf eine zunehmende Erwärmung reagieren. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Helmholtz-Nachwuchsgruppe MicroCene, unter der Leitung von Susanne Liebner, GFZ-Sektion Geomikrobiologie, haben nun mikrobielle Gemeinschaften in zwei Bohrkernen aus dem sibirischen submarinen Permafrost untersucht. Sie zeigen, dass die Mikroben auf die Erwärmung mit einer erhöhten Aktivität reagieren, wenn auch mit großer zeitlicher Verzögerung.

Das Untersuchungsgebiet liegt in der Laptev See im Osten Sibiriens, wo mehr als 80 Prozent des weltweiten submarinen Permafrosts vermutet werden. Dort hat das Alfred-Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung, AWI, mit russischen Partner des Melnikov Permafrostinstituts Yakutsk Bohrkerne aus dem Permafrost gezogen, anhand derer das Team nun die Mikroben im Permafrost untersucht. Ursprünglich gebildet wurde der Permafrostboden an Land. Ein seit dem Ende der letzten Eiszeit vor etwa 15.000 Jahren steigender Meeresspiegel hat jedoch dazu geführt, dass der gefrorene Boden heute unterhalb der Meeresoberfläche liegt. Einer der untersuchten Böden wurde schon vor 2.500 Jahren überflutet, der andere vor etwa 540 Jahren. Die News-Plattform EOS der American Geophysical Union AGU hat die in der Fachzeitschrift Journal of Geophysical Research: Biogeosciences veröffentlichten Ergebnisse nun als „Research Spotlight“ ausgezeichnet. So würdigt EOS die „besten zur Publikation akzeptierten Artikel“ aus einem AGU-Journal.

Permafrost unter Wasser reagiert empfindlicher auf eine Klimaerwärmung und taut deshalb schneller als solcher an Land. Und zwar, weil Wasser mehr Wärme transportiert als Luft und weil das salzige Meerwasser in den Boden eindringt und dort den Taupunkt herabsetzt: das ist auch der Grund, warum man im Winter Salz auf die Straßen streut. Was bedeutet das für die im Boden lebenden Mikroorganismen? Liebner: „Die arktischen Küsten sind stark vom Klimawandel betroffen. Der Anstieg des Meeresspiegels und einstürzende Küstenlinien durch tauenden Permafrost führen zu extremen Veränderungen der dortigen Umwelt. Wie das Mikrobiom in den Böden reagiert, ist noch weitgehend unbekannt.

Um mehr herauszufinden, hat das Team um Erstautorin Julia Mitzscherling die am AWI analysierten Proben aus dem Porenwasser im Permafrostboden ausgewertet und im Boden gefundene Spuren des genetischen Materials der Mikroorganismen analysiert. Der zeitliche Abstand zwischen der Überflutung der beiden Kerne und deren  Schichtung hilft ihnen dabei einzuschätzen, wie sich die Mikroben-Gemeinschaften im Zeitverlauf entwickeln. Mitzscherling: „Anhand der Unterschiede zwischen beiden Kernen konnten wir zeigen, dass die Bakterien-Gemeinschaften erst Jahrtausende nach der Überflutung durch Änderungen in ihrer Zusammensetzung und vermutlich auch durch Wachstum auf die Erwärmung reagieren. Es dauert offenbar sehr lange, bis eine deutliche Reaktion auf die sich verändernde Umwelt einsetzt“.

Dass Mikroben in überfluteten Permafrostböden aus dem „Eiszeitschlaf“ erwachsen und den zuvor gefrorenen Kohlenstoff mobilisieren ist wahrscheinlich das Zukunftsszenario für große Teile  der submarinen Permafrostgebiete. Was mit dem freigesetzten Kohlenstoff passiert, müssen weitere Studien zeigen. (ak)

Originalstudie: Mitzscherling, J., Winkel, M., Winterfeld, M., Horn, F., Yang, S., Grigoriev, M.N., Wagner, D., Overduin, P.P., Liebner, S., 2017. The development of permafrost bacterial communities under submarine conditions. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 122, pp. 2169-8961. DOI: 10.1002/2017JG003859

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