Wenn tauende Permafrostböden Treibgas freigeben

Motorbrummen und schrilles Kreischen in der kanadischen Tundra: Vier Personen in Gummistiefeln und wetterfesten Jacken stemmen sich mit ganzem Körpergewicht auf eine Bohrstange. Stück für Stück bohrt sich das Gewinde in den gefrorenen Boden. Proben aus Permafrostböden gewinnen ist Knochenarbeit. Nach einigen Minuten ziehen die Forscher*innen den Bohrer heraus, und entnehmen aus dem Bodenbohrer einen Kern aus gefrorenem Boden und Eis – acht Zentimeter im Durchmesser, fast einen halben Meter lang: Permafrost. Dieser Dauerfrostboden reicht hier mehr als 100 Meter tief ins Erdinnere und taut niemals auf. Eigentlich. "Die Arktis erwärmt sich bereits seit Jahrzehnten und aktuell in etwa viermal so schnell wie der Rest der Welt", sagt Andreas Richter, Leiter des Zentrums für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Universität Wien, Ökologe und Polarforscher. "Wenn der Permafrost auftaut, verändert das nicht bloß die arktische Landschaft. Dieses Auftauen kann auch die Klimaerwärmung verstärken", erklärt er.

Treibhausgase treiben die Erwärmung des Klimas weiter an

Der Grund dafür liegt in den Prozessen, die mit dem Auftauen angestoßen werden. Eingeschlossen in den Permafrost sind abgestorbene Pflanzenreste und Humus und damit auch organischer Kohlenstoff und Stickstoff. Die Dauerfrostböden beherbergen einen der weltweit größten Pools an organischem Kohlenstoff und globalem Stickstoff. Tauen die Böden und Boden-Eis-Gemische auf, werden Mikroben aktiv, die diese Stoffe abbauen. Dabei erzeugen sie Treibhausgase, die die Erwärmung des Klimas weiter antreiben: Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), aber auch Lachgas (N2O). Lachgas ist ein mehr als 300-mal potenteres Treibhausgas als CO2. Die Mikroben erzeugen es aus Stickstoff, der bei der Zersetzung von organischem Material freigesetzt wird. Wie genau diese Prozesse in tauenden Permafrostböden ablaufen, weiß man bisher aber nicht genau.

"Es ist unglaublich, wie wenig wir darüber wissen, wenn man bedenkt, dass Lachgas ein viel stärkeres Erwärmungspotenzial hat als CO2", sagt Nicolas Valiente Parra, Postdoktorand am Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft. Deswegen war er gerade drei Wochen lang unterwegs. Gemeinsam mit Andreas Richter und weiteren Forscher*innen aus Österreich, Belgien und Schweden sammelte er Bodenproben in einem Gebiet entlang des Dempster Highway, einer Staubstraße zwischen Inuvik, einer kleinen Stadt im Nordwesten Kanadas, und Tuktoyaktuk, der zweitnördlichsten Gemeinde des kanadischen Festlands.

Bis zu zwölf Stunden am Tag im Feld

Valiente Parra erforscht den Stickstoffkreislauf in der sogenannten Thermokarst-Landschaft im hohen Norden Kanadas. Thermokarst entsteht, wenn Linsen oder Keile aus Eis, oft mehrere Meter im Durchmesser, in Dauerfrostböden auftauen. Gefrorener Boden taut langsam, Eis jedoch viel schneller. Durch solche abrupten Auftauprozesse kann der Boden einbrechen, Küstengebiete erodieren und es entstehen weite Landschaften kleiner Seen, die sich mit jeder Frost- und Tau-Periode verändern und neu formen. "Ich war wirklich beeindruckt, als ich mit eigenen Augen sehen konnte, wie weit sich diese Landschaft erstreckt", erzählt der Stipendiat des Marie Sklodowska-Curie Actions (MSCA) Programms. "Und ich war überrascht, wie anstrengend ist, Bodenproben hier zu gewinnen", lacht er. Der Biogeochemiker hat seinen Fokus erst mit diesem Projekt von Gewässern zu Böden verschoben.

Das Forschungsteam war häufig zwölf Stunden am Tag im Feld. "Hier im arktischen Sommer ist es ja lange hell", erzählt Andreas Richter. Etwa sechs bis neun Bohrungen am Tag waren möglich.

Jede Probenstelle musste etwa eine Stunde lang vorbereitet werden: Die Forscher*innen erfassen die Bodenstruktur, verzeichneten die hier wachsenden Pflanzen und gruben sich mit der Schaufel durch den ersten halben Meter der Böden, der so genannten aktiven Schicht. Diese aktive Schicht taut mit den Jahreszeiten immer wieder auf. Darunter beginnt der dauerhaft gefrorene Boden. Dass dieser im Küstengebiet der kanadischen Arktis immer weiter auftaut, zeigen Satellitenbilder. "Wir können darauf sehen, dass viele der Seen hier seit mindestens 30 Jahren größer werden", erklärt Andreas Richter. "Inwieweit es neben der Klimaerwärmung noch weitere Ursachen dafür gibt, dass sich die Landschaft hier rapide ändert, können wir aber nicht abschließend sagen", ergänzt er.

"Der Boden taut unter den Füssen weg"

Was die Forscher*innen außerhalb ihrer Feldforschungsreisen nur auf den Satellitenbildern sehen, ist für die lokalen Bewohner*innen im Alltag spürbar. "Einigen Menschen dort taut im wahrsten Sinne der Boden unter den Füßen weg", sagt Victoria Sophie Martin. Sie promoviert zur Temperaturanpassung von polaren Mikroorganismen und war gemeinsam mit Andreas Richter bereits 2018 und 2019 hier. "Viele Bewohner*innen Inuviks erzählen uns von ihren Verwandten, die im Küstengebiet leben. Sie kämpfen damit, dass der Boden um ihre Häuser herum erodiert und die Trinkwasserversorgung immer wieder gefährdet ist", berichtet sie.

Um ein realitätsnahes Bild davon zu bekommen, welche Prozesse die Mikroben im tauenden Arktisboden anstoßen und wie diese Prozesse dann auf längere Sicht nicht nur den Klimawandel befeuern, sondern auch die konkrete Lebenssituation der Menschen vor Ort beeinflussen, mussten die Forscher*innen direkt vor Ort Experimente durchführen und die Bodenproben für die weiteren Analysen vorbereiten.

"Wir haben die Bodenproben teilweise über mehrere Tage aufgetaut, um einen natürlich Auftauvorgang zu simulieren. Danach haben wir sie mit markiertem Stickstoff versetzt und in luftdichte Behälter verteilt", erzählt Nicolas Valiente Parra. "Nach einigen Tagen haben wir dann die entstandenen Treibhausgase beprobt und aus den Bodenproben Extrakte gewonnen um festzustellen, zu welchen Verbindungen das organische Material umgebaut wurde und welche Mikroorganismen dafür verantwortlich waren." Diese Proben wurden mit nach Wien gebracht und werden in den Labors des Zentrums für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft untersucht. "Wir werden über unterschiedliche Analysen ermitteln, was die Mikroben aus dem Stickstoff gemacht haben und dann auch unter anderem wissen, wie viel Lachgas entstanden ist," berichtet Valiente Parra.

Arktischer Boden in Wien

Ungefähr 50 Bohrkerne mit gefrorenem Arktisboden, dazu eine Vielzahl von Pflanzen-, Wasser- und Bodenproben haben die Forscher*innen in der Arktis gewonnen. Mitgebracht nach Wien haben sie nicht nur die daraus gewonnenen Gasproben und Bodenextrakte, sondern auch mehrere Dutzend Kilogramm an Erde hatten die Wiener Ökosystemforscher*innen im Gepäck. Gut die Hälfte davon ist gefrorener Boden: Große Stücke gefrorener Erde, jeweils etwa sieben Kilogramm schwer. "In Kooperation mit dem GFZ Helmholtz-Zentrum Potsdam werden wir mithilfe eines speziellen Inkubators unserer Potsdamer Kolleg*innen über mehrere Monate Gefrier- und Auftauzyklen in diesen Bodenproben simulieren", erläutert Nicolas Valiente. "Auf diese Weise wollen wir simulieren und nachzeichnen, wie die Verarbeitung von Stickstoff in arktischen Böden im Verlauf der Jahreszeiten abläuft." Die Forscher*innen hoffen damit den möglichen Rückkopplungseffekten zwischen dem Auftauen der Permafrostböden und der Klimaerwärmung weiter auf die Spur zu kommen.

Das Projekt NITROKARST wird aus Mitteln des Forschungs- und Innovationsprogramms "Horizon 2020" der Europäischen Union im Rahmen der Marie-Sklodowska-Curie-Finanzhilfevereinbarung Nr. 101024321 finanziert.