Die dünne Haut der Erde

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer neu gebildeten biogeochemischen Grenzfläche. Zu sehen sind anhaftende Mikroorganismen am Kantenbereich eines mit sehr kleinen Nadeln (Goethit) und organischem Material belegten Quarzminerals.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer neu gebildeten biogeochemischen Grenzfläche. Zu sehen sind anhaftende Mikroorganismen am Kantenbereich eines mit sehr kleinen Nadeln (Goethit) und organischem Material belegten Quarzminerals.
© Universität Jena/ K. U. Totsche

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Das DFG-Schwerpunktprogramm „Biogeochemische Grenzflächen in Böden“, das 2016 abgeschlossen wurde, hat bereits einen Paradigmenwechsel erzielt: Erstmals haben Biologen, Chemiker und Physiker den Boden integrativ und multidisziplinär als System untersucht – und das mit sehr großem Erfolg. „Es ist der einzige Weg, um ein derart komplexes System zu verstehen“, sagt Sprecher Kai Uwe Totsche von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Obwohl für viele Menschen „Boden“ nichts als „Dreck“ ist, ist er ein Multitalent und eine Ressource der Zukunft: Die „dünne Haut“ der Erde ist nicht nur Produktionsstandort für Nahrungsmittel, sondern einer der artenreichsten Lebensräume überhaupt. Das Erdreich ist zudem maßgeblich für die Grundwasser- und Luftqualität verantwortlich, da es Schadstoffe filtert, abbaut und umwandelt. Und als größter terrestrischer Kohlenstoffspeicher spielen Böden eine entscheidende Rolle für den Klimawandel. „Böden sind nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht für den Menschen lebensnotwendig“, so Totsche.

Ein Beispiel, das zeigt, wie die verschiedenen naturwissenschaftlichen Disziplinen auf engstem Raum ineinander verflochten sind, ist die Pflanzenwurzel: Sie atmet und produziert dabei organische Moleküle, die sie in die Bodenlösung abgibt. „Diese Moleküle verändern aber nicht nur die chemische Beschaffenheit der Lösung, sondern auch die physikalischen Eigenschaften von Wasser, etwa die Oberflächenspannung“, erklärt Totsche. Damit beeinflusst die Wurzel den Fluss und die Verfügbarkeit des Wassers. Gleichzeitig verändern sich die Lösungseigenschaften im Boden. Mit diesen veränderten Milieubedingungen müssen wiederum die Mikroorganismen fertigwerden, die ihrerseits Substanzen abgeben, die sie schützen, und die den Porenraum in den Böden verändern und damit die Versickerung beeinflussen.

„Ein ständiges Wechselspiel von Biologie, Chemie und Physik“, erklärt Totsche. Wer ein solches System nicht nur verstehen, sondern für die Nutzung oder den Schutz auch manipulieren will, muss alle drei Disziplinen miteinander verbinden. „Das ist uns im SPP sehr gut gelungen. Etwas Vergleichbares hat es noch nicht gegeben“, so der Geowissenschaftler. Zum einen haben die Forscher einen Paradigmenwechsel hinsichtlich der wissenschaftlichen Bearbeitung von Böden erzielt, zum anderen ein mechanistisches Verständnis des komplexen Wechselspiels physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse erlangt, die an biogeochemischen Grenzflächen ablaufen.

„Wir sind auf dem Weg, den Stofftransport im Boden fundamental zu verstehen, einen entscheidenden Schritt weitergekommen“, konstatiert Totsche. „Dabei berücksichtigen wir nun explizit die räumliche Struktur des heterogenen, porösen Mediums Boden und die daran gemessenen Grenzflächeneigenschaften.“ Prozesse in Böden vorherzusagen, ohne dass dabei bestimmte Rahmengrößen invers, also abhängig, bestimmt werden, gehöre zu den besonderen Herausforderungen in der Bodenwissenschaft: „Da ist uns ein großer Wurf gelungen.“ Die gesammelten Daten sind so ertragreich, dass für die Zukunft weitere internationale Publikationen geplant sind.

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