Von Wien nach Kanada: Permafrost und heiße Quellen

Wir, zwei PhD Studierende, ein PostDoc und ein Professor, waren diesen Sommer in Kanada, einem riesigen Land mit unberührten Lebensräumen, wie wir sie in Mitteleuropa kaum mehr kennen. Dazu gehören rund drei Millionen Quadratkilometer Borealer Wald und etwas mehr als 1,1 Million Quadratkilometer Torfmoore (engl. Peatlands), etwa ein Viertel der weltweiten Moorfläche.

Uns interessieren diese Moore besonders, weil sie überwiegend in der Permafrostzone liegen, die seit Jahrzehnten immer wärmer wird und am südlichen Rand aufzutauen beginnt. Organischer Kohlenstoff aus aufgetauten Mooren (immerhin gibt es davon 150 Milliarden Tonnen in Kanadas Mooren) kann dann potenziell von Mikroorganismen abgebaut werden. Man weiß jedoch erstaunlich wenig darüber, wie sich die Klimaerwärmung und der auftauende Permafrost tatsächlich auf die Treibhausgasemissionen – vor allem auf Methanemission auswirkt. Im Cluster of Excellence „Microbiomes drive Planetary Health“ untersuchen wir deshalb, wie aktive Archaeen und Bakterien in Permafrost-Mooren auf Erwärmung reagieren und was das für den Klimawandel bedeutet. Und dazu braucht man natürlich Torfböden – in diesem Fall eben aus Kanada.

Klimawandellabore der Natur

Kanada hat aber noch mehr zu bieten: In der Zone des Borealen Waldes im Westen Kanadas findet man heiße Quellen, die ein wichtiger Forschungsgegenstand geworden sind. Die Böden um diese Quellen sind dauerhaft erwärmt und bieten eine einzigartige Möglichkeit, langfristige Anpassungen von Mikroorganismen an die Klimaerwärmung zu untersuchen. Solche "Erwärmungsexperimente" schließen eine wichtige experimentelle Lücke, denn erst seit den 1980er-Jahren hat man begonnen Klimawandelexperimente durchzuführen. Doch die meisten dieser Experimente gibt es nicht mehr und daher können wir die langfristigen Prognosen von Klimamodellen nicht validieren. 

Weltweit existieren zwei Standorte an denen heiße Quellen als experimentelle Plattformen verwendet werden: einer in Island, den wir seit zehn Jahren erforschen, und einer in Nordwestkanada. Die spezielle heiße Quelle – sie existiert schon seit Jahrhunderten, dokumentiert seit 1907 – untersuchen wir gemeinsam mit einer Arbeitsgruppe vom Thünen-Institut und wenden dabei eine speziell in Wien entwickelte Methodik (vapor-qSIP) zur Identifizierung der aktiven Mikroorganismenpopulationen an.

Forschungsstandort Whitehorse, Yukon: die PhD-Studierenden Cornelia Rottensteiner und Anne Peter berichten

Schon die Anreise zu unserer Feldforschung war ein kleines Abenteuer mit Tankstopp in Winnipeg und ungeplanter Übernachtung in Vancouver. Doch das machte die Ankunft in der weiten, stillen Landschaft nur eindrucksvoller. 

Unsere Untersuchungsfläche liegt an den Takhini Hot Springs. Diese natürliche Wärmequelle heizt den Boden seit über hundert Jahren auf. Ideal, um zu untersuchen, wie sich das Waldökosystem langfristig an den Klimawandel anpasst. Wie verändert sich die Aktivität der Bodenmikroorganismen bei Erwärmung? Unsere Bodenproben werden nun molekularbiologisch und biogeochemisch analysiert. Wir hoffen, daraus Rückschlüsse auf wichtige Prozesse wie die zukünftige Kohlenstoffspeicherung und Treibhausgas-Emission ziehen zu können.

Endlich wieder im Feld forschen

Das schönste Gefühl? Endlich wieder draußen im Feld zu sein, gemeinsam zu graben, zu messen, zu diskutieren. Genau dort entstehen die besten Ideen! Und manchmal auch Notlösungen, wie selbst gebastelte Teebeutel aus Nylonvorhängen, die zur Bestimmung des Abbaus im Feld verwendet werden. Lipton-Teebeutel, die bislang verwendet wurden, sind neuerdings biologisch abbaubar. 

Schon bevor es losging, war klar: Es wird nicht alles planbar sein. Und das wurde es auch nicht. Wir mussten Spaten und Siebe vor Ort organisieren. Umso wertvoller war die Unterstützung durch die lokale Yukon University und das Yukon Geological Survey. 

Die zwei Wochen am Standort waren eine intensive Zeit: wir haben die Vegetation aufgenommen, Bäume vermessen, Streu gesammelt, Bodenprofile gegraben, Wasser- und Temperatursensoren ausgelesen und bis spät in der Nacht Proben getrocknet, gewogen und Daten eingegeben. An Arbeitszeiten hält sich bei Feldarbeiten sowieso niemand. Und obwohl es im Sommer in Whitehorse bis 23 Uhr hell ist, mussten wir doch zweimal das Licht aufdrehen.

Wissenschaft, Kultur und Gesellschaft

Ein Highlight war ein freier Tag im Kluane-Nationalpark mit Besuch im Da Kų Cultural Centre, wo wir vieles über die Champagne and Aishihik First Nations gelernt haben. Ein anderes die lokale Drag-Show zur Pride: bunt, herzlich, laut. Beides zeigte uns, wie eng Wissenschaft, Kultur und Gesellschaft verbunden sind. In unserer allerletzten Nacht wurden wir sogar mit Polarlichtern belohnt. 

In Wien dann der Schock: Die Airline hat unsere Proben verloren, ein ALBTRAUM! Zum Glück konnte unser PhD-Betreuer, Andreas Richter, der noch an einem anderen Projekt in Kanada arbeitete, kurzfristig umplanen und ist nach Whitehorse zurückgeflogen, um zumindest die wichtigsten Proben erneut zu nehmen. 

Was wir mit nach Hause genommen haben? Neben Erkenntnissen über Mikroorganismen im Klimawandel, neue Ideen, starke Teamarbeit und die Gewissheit, dass Wissenschaft nicht immer glatt verläuft. Aber dafür umso lebendiger ist.

Forschungsstandort Yellowknife, Northwest Territories: Postdoc Dennis Metze berichtet

Feldforschung als Ökologe bedeutet mit tief eingesunkenen Gummistiefeln mitten im Moor zu stehen und Torfproben aus dem wankenden Untergrund zu stechen. Feldforschung heißt aber auch, um 4:25 Uhr aufzustehen, 31 Stunden im Flugzeug zu sitzen oder in einer Woche mehr als 2.400 Kilometer Auto zu fahren. Die Arbeit im Feld ist eine besondere und intensive Zeit. Sie hat ihre eigenen Regeln und ihren eigenen Rhythmus. Selten ist man der Natur, deren Prozesse man zu versehen versucht, näher. 

Diesen Sommer ging es für uns von Yellowknife am Großen Sklavensee in den Northwest Territories Kanadas, bis in den äußersten Norden von Alberta. Die Landschaft kann man sich wie einen Borealen Nadelwald, den man in stundenlangen Autofahrten geradeaus durchqueren muss, vorstellen. Ab und zu zweigt ein Weg ab oder ein Waldbison überquert die Straße. Und recht häufig verschleiert der Rauch naher Waldbrände die Sicht. Diese Bilder vor Augen, überrascht es nicht, dass die einzige Unterkunft nahe dem Feldstandort eine abgelegene Feuerwehrstation war. Von hier spüren Feuerwehrleute mit Helikoptern Brandherde auf und versuchen, sie zu löschen. Unsere Mission war jedoch eine andere.

Die Mikroorganismen der Permafrost-Torfmoore

Trotz der Waldbrände gibt es hier Permafrostböden, die unter der auftauenden Oberfläche dauerhaft gefroren, bleiben. Darüber befinden sich Torfmoore. Diese Permafrost-Torfmoore sind ein besonderes Ökosystem und ziehen sich über mehrere hunderttausende Quadratkilometer. In ihnen steht oft wenige Zentimeter unter einer Schicht aus Torfmoosen das Wasser an. Für Mikroorganismen, die dort leben, bedeutet das, dass es keinen Sauerstoff mehr gibt. Das ist jedoch kein Problem für eine spezielle Gruppe an Mikroorganismen, die methanogenen Archaeen. Sie fangen erst jetzt richtig zu wachsen an und produzieren dabei Methan, ein Treibhausgas 28-mal so stark wie CO₂ (auf 100 Jahre gerechnet). Ein paar Zentimeter weiter oben ist wieder ausreichend Sauerstoff vorhanden und andere Mikroorganismen sind aktiv. Einige von ihnen können das Methan, das unter ihnen produziert wurde, aufnehmen und für ihren Stoffwechsel nutzen. 

Mit den Proben, die wir hier nehmen, wollen wir beantworten, wer die Mikroorganismen sind, die unter unterschiedlichen Saustoffkonzentrationen aktiv sind und wie sich ihre Zusammenarbeit in den steigenden Temperaturen und dem schmelzenden Permafrost verändert.

Jenseits der Daten

Zurück in Wien dauert es einen Moment, wieder in den Alltag zu finden. Man hat nicht viel Zeit für die Umstellung. Die Proben müssen eingewogen, extrahiert und Experimente angesetzt werden. Jenseits der Daten und wissenschaftlichen Einblicke, die wir durch solche Feldforschung generieren, bleiben uns auch die persönlichen Erinnerungen und Bilder. Für mich sind das ein rußverschmierter Feuerwehrmann, der sich nach dem Einsatz zu uns setzt und uns interessiert nach unserer Arbeit fragt, oder ein einsamer Wolf, der uns beim Vorbeifahren ruhig vom Straßenrand nachsieht.

Das Team und die Autor*innen