Wie weit sich solche Spuren in einer Agrarlandschaft verbreiten, zeigt eine Untersuchung des Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) von 875 wildlebenden Hausmäusen auf deutschen Bauernhöfen. Wissenschaftler fanden in ihrem Darm 340 verschiedene Resistenzgene. 168 davon kamen auch bei Schweinen, Rindern oder Geflügel vor. Damit trugen die Mäuse rund die Hälfte der Resistenzgene, die auch bei den untersuchten Nutztieren vorkamen.

Auf dem Bauernhof sammeln Mäuse besonders viele Resistenzgene

Im Darm einer Maus fanden die Wissenschaftler im Durchschnitt knapp 60 verschiedene Resistenzgene. Die meisten Tiere lagen bei etwa 50, nur eine kleinere Gruppe trug mehr als 100. Von insgesamt 340 nachgewiesenen Genen konnten 178 Resistenzen gegen zehn medizinisch wichtige Antibiotikaklassen vermitteln. Diese machten zusammen jedoch nur neun Prozent der gesamten Häufigkeit aller erfassten Resistenzgene aus.

Stärker als Eigenschaften der Mäuse wirkte ihre Umgebung. Landschaft, Klima und landwirtschaftliche Faktoren erklärten 27 Prozent der Unterschiede im Resistenzmuster. Populationsdichte, Geschlecht und körperlicher Zustand der Tiere kamen zusammen auf weniger als zehn Prozent. Damit erklärten Umwelt und Landwirtschaft die Unterschiede etwa dreimal so gut wie Merkmale der Mäuse selbst. Auch zwischen einzelnen Höfen gab es deutliche Unterschiede.

Mobile Resistenzgene reagieren besonders stark auf die Landwirtschaft

Besonders aufmerksam untersuchte das Team 80 Resistenzgene, die möglicherweise an mobile genetische Elemente gekoppelt sind. Dazu zählen Plasmide, Integrons und Transposons – DNA-Abschnitte, über die Bakterien Gene untereinander austauschen können. Bei diesen potenziell mobilen Resistenzgenen erklärten Umweltfaktoren sogar 41 Prozent der Unterschiede.

Auffällig war vor allem der Zusammenhang mit Schweinehaltung. Eine höhere Schweinedichte trat häufiger gemeinsam mit dem Gen sul1 auf, das gegen Sulfonamide resistent machen kann. Auch Gene für Resistenzen gegen Tetracycline und Beta-Laktam-Antibiotika waren damit verbunden. Dabei handelt es sich um Antibiotikaklassen, die auch in der Tiermedizin eingesetzt werden. Für sechs Tetracyclin-Resistenzgene fanden die Wissenschaftler eine hohe Verbreitung sowohl bei Mäusen als auch bei Nutztieren. Eine direkte Übertragung vom Schwein auf die Maus lässt sich daraus jedoch nicht belegen.

Über Gülle, Boden und Wasser können Gene weiterwandern

Für die Verbreitung kommen mehrere Wege infrage. Nutztiermist kann resistente Bakterien, Resistenzgene und Rückstände von Antibiotika enthalten. Mit Gülle gelangen sie auf Felder und von dort weiter in Boden, Wasser oder Nahrung. Hausmäuse bewegen sich zwischen Ställen, Feldern und anderen Bereichen eines Hofes und kommen so mit unterschiedlichen Quellen in Kontakt. Solche Wege bilden ökologische Verbindungen zwischen Nutztieren, Wildtieren und ihrer gemeinsamen Umwelt.

Auch einzelne Gene passen zu diesem Bild. Das Sulfonamid-Resistenzgen sul1 kommt häufig in von Menschen beeinflussten Gewässern und Abwässern vor. Das Gen cblA-1 fand sich bei mehr als der Hälfte der Mäuse und ebenfalls in Nutztierproben.

Hausmäuse sind kein außergewöhnliches Resistenzrisiko

Die Mäuse waren dennoch keine besonders starken Träger problematischer Resistenzgene. Im Vergleich zu Nutztieren enthielten ihre Darmmikrobiome deutlich weniger unterschiedliche Resistenzgene. Besonders groß war die Vielfalt in den untersuchten Geflügelproben. Auch Resistenzgene, die von der Weltgesundheitsorganisation als besonders problematisch eingestuft werden, kamen bei den Mäusen vergleichsweise selten vor.

Die Hausmäuse sind damit vor allem ein Hinweis darauf, wie weit sich der Einfluss landwirtschaftlicher Nutzung in die Umgebung hineinzieht. Ihre Darmbakterien tragen Resistenzgene, die auch bei Nutztieren vorkommen – und deren Zusammensetzung stärker von Hof, Landschaft und Tierhaltung geprägt wird als von den Mäusen selbst. Antibiotikaresistenzen sind damit nicht allein ein medizinisches oder tiermedizinisches Problem, sondern reichen bis in wildlebende Tiere und natürliche Ökosysteme hinein.

Kurz zusammengefasst:

• Bauernhofmäuse tragen viele Resistenzgene, die auch bei Nutztieren vorkommen – Antibiotikaresistenzen sind damit auch ein ökologisches Problem.
• Landwirtschaft und Umwelt prägen die Resistenzprofile der Mäuse stärker als Merkmale wie Geschlecht oder körperlicher Zustand.
• Die Studie belegt keine direkte Übertragung vom Nutztier auf die Maus, macht aber mögliche Verbreitungswege über Gülle, Boden, Wasser und Nahrung sichtbar.

Übrigens: Wie ernst Antibiotikaresistenzen inzwischen sind, zeigt ein WHO-Bericht: Weltweit ist bereits jede sechste laborbestätigte bakterielle Infektion gegen gängige Antibiotika resistent. Was das für Behandlung, Kliniken und Alltag bedeutet, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © picture alliance/dpa/dpa-Zentralbild | Patrick Pleul

Untersucht hat das ein Forschungsteam um Go Suzuki vom japanischen National Institute for Environmental Studies gemeinsam mit Wissenschaftlern weiterer japanischer Hochschulen. Ihre Studie erschien im Fachjournal Environmental Science & Technology. Dafür analysierten sie schwimmendes Mikroplastik aus fünf Meeresgebieten rund um Japan sowie größere Plastikstücke aus Flüssen, Küstenregionen und vom Meeresboden. Unter den Fundstücken befanden sich Tüten, Seile, Netze und harte Kunststofffragmente.

Mikroplastik nimmt Schadstoffe auch aus seiner Umgebung auf

In den Proben fanden die Forscher eine ganze Reihe chemischer Substanzen. Dazu gehörten Antioxidantien, Weichmacher, UV-Stabilisatoren, Flammschutzmittel und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe. Drei Stoffgruppen untersuchten sie näher, weil sie häufig vorkamen oder wegen ihrer Umweltwirkung bereits reguliert beziehungsweise überwacht werden:

• Irgafos 168, ein Schutzstoff gegen die Alterung von Kunststoffen
• DEHP, ein weit verbreiteter Weichmacher
• HBCD, ein langlebiges bromiertes Flammschutzmittel

Vor allem DEHP fiel in den Analysen auf. Einige Proben enthielten mehr als 1000 Mikrogramm pro Gramm Kunststoff, also mehr als 0,1 Prozent ihres Gewichts. Bei Mikroplastik aus Polyethylen und Polypropylen lagen die Werte zudem höher als bei größeren Kunststoffteilen vom Meeresboden. Die Unterschiede lassen sich nach Einschätzung der Wissenschaftler nicht allein mit Zusatzstoffen erklären, die bereits bei der Herstellung im Kunststoff steckten.

Warum Mikroplastik Schadstoffe aus dem Meer anreichern kann

DEHP kann sich offenbar auch nachträglich an den kleinen Partikeln anlagern. Als Quellen kommen Meerwasser, Schwebstoffe und organisches Material infrage. Kleine Kunststoffstücke besitzen im Verhältnis zu ihrer Masse eine große Oberfläche. Dadurch entsteht mehr Kontakt mit der Umgebung als bei einem größeren Stück desselben Materials. Die Ergebnisse passen deshalb zu einer stärkeren Aufnahme von DEHP aus dem Meer.

Auf der anderen Seite können Substanzen aus dem Plastik austreten. Bei Irgafos 168 fanden die Wissenschaftler deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Kunststoffarten und Partikelgrößen. Irgafos 168 wird unter anderem Polyethylen und Polypropylen zugesetzt, damit das Material langsamer oxidiert. Die Verteilung des Stoffes und seiner Abbauprodukte spricht dafür, dass die Verbindungen beim Verwittern aus dem Kunststoff freigesetzt und chemisch verändert werden.

Auch zerfallenes Plastik behält problematische Chemikalien

Wie hartnäckig manche Zusatzstoffe bleiben, wird bei HBCD sichtbar. Das Flammschutzmittel wurde früher unter anderem in geschäumtem Polystyrol eingesetzt und zählt zu den persistenten organischen Schadstoffen. Solche Verbindungen werden in der Umwelt nur langsam abgebaut, können sich in Lebewesen anreichern und über größere Entfernungen gelangen.

In Mikroplastik aus dem Genkai-Meer, aus pazifischen Küstengewässern sowie aus Küstengewässern des Japanischen Meeres lagen die HBCD-Werte zwischen 110 und 590 Mikrogramm pro Gramm Kunststoff. Der Stoff blieb also auch in bereits stark zerkleinerten Partikeln erhalten. „Die Fragmentierung von Makroplastik zu Mikroplastik verringert die chemischen Gefahren nicht zwangsläufig“, schreiben die Forscher in ihrer Arbeit.

Mikroplastik kann Schadstoffe durch das Meer weitertragen

Damit ergibt sich ein doppelter Vorgang. Ein Kunststoffteil kann beim Altern eigene Zusatzstoffe verlieren, während sich andere Chemikalien aus seiner Umgebung daran anlagern. Bleibt ein belasteter Partikel anschließend im Wasser mobil, kann er diese Stoffe an andere Orte transportieren. Für HBCD sprechen die Autoren deshalb von Mikroplastik als möglicher „mobiler sekundärer Quelle“ für bereits vorhandene Schadstoffe.

Wie viel davon später tatsächlich in Tiere gelangt, lässt sich aus den Untersuchungen nicht ableiten. Auch über eine konkrete Gesundheitsgefahr für Menschen sagt die Arbeit nichts aus. Die Wissenschaftler halten weitere Untersuchungen für nötig, um zu klären, wie stark Organismen solche mit Mikroplastik verbundenen Chemikalien aufnehmen und welche ökologischen Folgen daraus entstehen können.

Für die Bewertung von Plastikverschmutzung wollen sie deshalb neben der Partikelmenge auch berücksichtigen, welche Zusatzstoffe im Material stecken, wie lange diese erhalten bleiben und wie weit kleine Partikel sie im Meer transportieren können.

Kurz zusammengefasst:

• Mikroplastik kann chemische Zusatzstoffe aus dem ursprünglichen Kunststoff behalten und später freisetzen.
• Kleine Partikel können zusätzlich Schadstoffe wie DEHP aus dem umgebenden Wasser und aus Schwebstoffen aufnehmen.
• Selbst nach dem Zerfall können problematische Stoffe wie HBCD im Mikroplastik erhalten bleiben und im Meer weitertransportiert werden.

Übrigens: Mikroplastik löst bei Menschen immer wieder gesundheitliche Bedenken aus – doch Fachleute zweifeln an vielen Messungen und sehen bislang keinen gesicherten Beleg für konkrete Gesundheitsgefahren. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Unsplash

Ein internationales Forschungsteam fordert deshalb einen grundlegenden Kurswechsel. Sukho Song, Barbara Mazzolai und Mirko Kovač schlagen im Fachjournal Nature Machine Intelligence eine neue Forschungsrichtung vor: Sustainability Robotics. Beteiligt sind unter anderem das Istituto Italiano di Tecnologia in Italien und die Schweizer Forschungsanstalt Empa. Die Parallele zur Plastik-Ära stammt nicht aus dem Manifest selbst. Sie beschreibt jedoch ein Risiko, das Barbara Mazzolai ausdrücklich anspricht: Umweltfolgen dürfen nicht erst auffallen, wenn Millionen Geräte bereits produziert wurden.

Nachhaltige Roboter müssen früh anders entstehen

Lange galten Präzision, Geschwindigkeit und Selbstständigkeit als wichtigste Maßstäbe für einen guten Roboter. Diese Kriterien bleiben relevant, reichen nach Ansicht der Forscher aber nicht mehr aus. „Wir müssen von Anfang an darüber nachdenken, welche Auswirkungen dieser Roboter und diese Technologie auf die Umwelt, die Menschen und die Gesellschaft haben werden“, sagt Mazzolai. Dabei geht es auch um Folgen, die erst Jahre nach der Markteinführung auftreten.

Schon während der Entwicklung müssten Hersteller deshalb klären, wie viel Strom eine Maschine benötigt. Ebenso wichtig seien die verbauten Rohstoffe, ihre Herkunft und ihre spätere Entsorgung. Seltene oder schwer recycelbare Materialien können die Umweltbilanz eines Roboters erheblich verschlechtern. Auch Produktion, Reparaturfähigkeit und Lebensdauer gehören zu dieser Rechnung. Ein energiesparender Roboter ist kaum nachhaltig, wenn er nach kurzer Zeit ersetzt werden muss.

Drei Prinzipien sind wichtig für die neue Richtung

Für nachhaltige Roboter gelten drei Leitlinien:

• Minimalinvasiv: Die Maschinen sollen Ökosysteme, gesellschaftliche Abläufe und wirtschaftliche Strukturen möglichst wenig beeinträchtigen. Das betrifft etwa Roboter, die Waldböden untersuchen, Meeresgebiete vermessen oder in der Landwirtschaft arbeiten. Ihr Einsatz darf keine neuen Umwelt- oder Folgeschäden verursachen.
• Allgemein zugänglich: Robotik soll nicht auf reiche Staaten, große Unternehmen oder gut ausgestattete Kliniken beschränkt bleiben. Auch abgelegene Regionen und benachteiligte Bevölkerungsgruppen sollen von der Technik profitieren.
• Symbiotisch: Menschen, Natur und Technik sollen gleichermaßen Vorteile erhalten. Roboter sollen daher nicht bloß einzelne Abläufe beschleunigen oder verbilligen, sondern einen gesellschaftlichen und ökologischen Nutzen schaffen.

Roboter sollen Nachhaltigkeit aktiv fördern

Neben einer ressourcenschonenden Konstruktion geht es um konkrete Aufgaben. Roboter könnten Umweltverschmutzung messen, landwirtschaftliche Flächen untersuchen oder Menschen in gefährlichen Gebieten unterstützen. Auch Einsätze in der medizinischen Versorgung und bei Naturkatastrophen gehören zu den denkbaren Anwendungen.

Mazzolai orientiert sich dabei an Pflanzen. Wurzeln dringen mit geringem Energieaufwand in den Boden ein und verändern ihre Richtung je nach Umgebung. Nach diesem Vorbild entstehen Roboter, die den Untergrund erkunden, ohne große Flächen aufzureißen.

Andere Konzepte ahmen Samen nach, die auf Feuchtigkeit oder Temperatur reagieren. Solche Maschinen könnten sich ohne herkömmliche Batterien bewegen und dadurch mit weniger Bauteilen und Ressourcen auskommen.

Die Natur liefert überraschend einfache Lösungen

„Die Natur muss viele Probleme lösen und dabei einen Kompromiss zwischen Effizienz, Anpassungsfähigkeit, Energieverbrauch und verfügbaren Materialien finden“, erklärt Mazzolai. Pflanzen hätten dafür sehr unterschiedliche Strategien entwickelt. Diese Lösungen könnten technische Systeme leichter, sparsamer und widerstandsfähiger machen. Denkbar sind künftig sogar biologisch abbaubare Roboter, die nach ihrem Einsatz kontrolliert zerfallen.

Solche Maschinen könnten Meere oder entlegene Landschaften überwachen, die Menschen kaum erreichen. Allerdings reicht eine umweltfreundliche Außenhülle allein nicht aus. Das Manifest verlangt eine Zusammenarbeit von Ingenieuren, Informatikern, Biologen, Medizinern, Agrarwissenschaftlern, Ökonomen, Ethikern und politischen Entscheidungsträgern. „Wir dürfen nicht nur darüber nachdenken, was der Roboter kann“, sagt Mazzolai. Auch seine Folgen für Gesellschaft und Umwelt müssten früh berücksichtigt werden.

Forscher wollen bekannte Fehler konsequent vermeiden

Die Autoren warnen vor einer zersplitterten Entwicklung ohne gemeinsame Regeln. Dadurch könnten neue Maschinen zwar einzelne Probleme lösen, zugleich aber hohen Ressourcenverbrauch, ungleichen Zugang oder unerwartete Schäden verursachen. Das erinnert an frühere technische Erfolge, deren langfristige Folgen erst spät berücksichtigt wurden. Kunststoffe erleichterten viele Bereiche des Lebens, wurden jedoch Jahrzehnte später zu einem weltweiten Abfallproblem.

Bei Robotern soll diese Reihenfolge vermieden werden. Ihr Nutzen müsste deshalb über den gesamten Lebenszyklus hinweg größer sein als die Belastungen durch Rohstoffe, Energieverbrauch, Herstellung und Entsorgung.

Kurz zusammengefasst:

• Nachhaltige Roboter sollen wenig Energie und Rohstoffe verbrauchen, Ökosysteme möglichst wenig stören und sich später gut reparieren, recyceln oder abbauen lassen.
• Das Konzept der „Sustainability Robotics“ verbindet nachhaltiges Roboterdesign mit Einsätzen für Umwelt, Landwirtschaft, Medizin und schwer zugängliche Regionen.
• Drei Leitlinien prägen die Entwicklung: Roboter sollen minimalinvasiv, allgemein zugänglich und für Menschen sowie Natur gleichermaßen nützlich sein.

Übrigens: Wie nachhaltige Roboter Umweltprobleme konkret lösen können, zeigt der Roboterhund VERO an Italiens Stränden: Er saugt giftige Zigarettenstummel aus dem Sand. Die Maschine entfernt bis zu 90 Prozent der Kippen und könnte Reinigungskräfte sowie Küstenökosysteme entlasten – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Smart Up News, mit Hilfe von KI erstellt

Ähnlich funktioniert ein riesiger Speicher im hohen Norden der Erde. In den Böden arktischer Flussdeltas lagern seit Jahrtausenden abgestorbene Pflanzenreste, eingeschlossen in gefrorenem Boden. Mit steigenden Temperaturen verliert dieser natürliche Eisschrank jedoch seine Stabilität. Stoffe, die lange konserviert waren, werden für Mikroben erreichbar.

Besonders brisant ist die Menge. In Deltas großer arktischer Flüsse wie der Lena in Russland, des Mackenzie River in Kanada und des Kobuk River in Alaska lagern gewaltige Kohlenstoffvorräte. Wenn der Permafrost in der Arktis taut, kann daraus auch ein CO₂-Problem werden. Das Alfred-Wegener-Institut (AWI) hat diesen lange unterschätzten Speicher nun genauer beziffert.

Tauender Permafrost in der Arktis kann zur CO₂-Quelle werden

Das Team um den AWI-Postdoc Matthias Fuchs, inzwischen an der University of Colorado Boulder, wertete mehr als 1.600 Bodenproben aus 17 arktischen Flussdeltas aus. So entstand erstmals eine umfassende Bilanz: Auf knapp 100.000 Quadratkilometern lagern rund 57,5 Gigatonnen Kohlenstoff und etwa 3,8 Gigatonnen Stickstoff.

Die Fläche entspricht ungefähr Südkorea oder dem Doppelten Niedersachsens. Trotzdem befinden sich dort rund fünf Prozent des gesamten Permafrost-Kohlenstoffs der Erde. Auch der Stickstoff zählt, weil er Nährstoffkreisläufe in Böden, Flüssen und Küstengewässern verändern kann.

Lange schauten Klimaforscher vor allem auf gefrorene Landflächen im Inneren der Arktis. „Ein Bereich wurde dabei allerdings bisher etwas vernachlässigt: die Deltas der kleinen und großen arktischen Flüsse“, sagt Guido Grosse, Leiter der Sektion Permafrostforschung am AWI. „Genau diese Mündungsbereiche speichern eigentlich langfristig sehr viel von den Flüssen gelieferten Kohlenstoff in gefrorenen Böden und Sedimenten.“

Mehrere Veränderungen treffen die Deltas gleichzeitig

Die Gefahr entsteht nicht durch einen einzelnen Faktor. Vielmehr verändern sich die Deltas von mehreren Seiten gleichzeitig: Das Meereis zieht sich zurück. Der Meeresspiegel steigt. Flüsse transportieren wärmeres Wasser. Die frostfreie Jahreszeit dauert länger. Zudem sacken manche Küstenabschnitte langsam ab.

„Sämtliche destabilisierende Faktoren treffen in den ohnehin sehr dynamischen arktischen Deltas aufeinander“, erklärt Grosse. Dadurch verändern sich nicht nur Landschaften. Auch die Bedingungen im Boden wandeln sich. Material, das über Jahrtausende tiefgefroren blieb, wird für Mikroorganismen zunehmend erreichbar.

Mikroben kommen an uralte Vorräte ran

Mit steigenden Temperaturen werden die jahrtausendelang eingefrorenen Pflanzenreste zunehmend bioverfügbar. Das bedeutet, dass Mikroorganismen leichter an das organische Material gelangen und es zersetzen können. Dabei entstehen Kohlendioxid und Methan – zwei Treibhausgase, die die Atmosphäre zusätzlich erwärmen.

Die gewaltigen Vorräte würden so künftig stärker in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf zurückkehren.

Warum 57,5 Gigatonnen Kohlenstoff so bedeutsam sind

Durch menschliche Aktivitäten wächst der Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre derzeit jedes Jahr um etwa 4,5 Gigatonnen. In den arktischen Flussdeltas lagern dagegen rund 57,5 Gigatonnen Kohlenstoff. Die Speicher enthalten also mehr als das Zwölffache dieses jährlichen Zuwachses.

Noch bemerkenswerter ist die Flächeneffizienz. Auf nur einem Prozent der globalen Permafrostfläche befinden sich etwa fünf Prozent des dort gebundenen Kohlenstoffs. Bezieht man alle Böden der Erde ein, speichern die arktischen Deltas rund zwei Prozent des weltweiten Bodenkohlenstoffs auf lediglich 0,08 Prozent der globalen Bodenfläche.

„Damit ist klar, dass die arktischen Deltas aktuell ein besonders kritisches Element im globalen Kohlenstoffkreislauf sind“, erklärt Grosse.

Kurz zusammengefasst:

• Arktische Flussdeltas speichern auf nur einem Prozent der weltweiten Permafrost-Fläche rund fünf Prozent des dort gebundenen Kohlenstoffs.
• Taut der Permafrost, werden alte Pflanzenreste für Mikroorganismen erreichbar; dabei werden Kohlendioxid und Methan freigesetzt.
• Die Deltas geraten gleichzeitig durch wärmere Flüsse, längere Tauzeiten, steigenden Meeresspiegel, weniger Meereis und Küstenerosion unter Druck.

Übrigens: Die Folgen tauenden Permafrosts lassen sich in Alaska bereits mit bloßem Auge erkennen: Im Einzugsgebiet von Flüssen wie Agashashok, Kugururok und Salmon färben sich ganze Gewässer rostorange. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Alfred-Wegener-Institut / Benjamin Jones / University of Alaska Fairbanks

Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz konnten diese Veränderungen direkt messen. Ihre Studie erschien in Nature Communications Earth & Environment. Besonders auffällig war der starke Anstieg bestimmter pflanzlicher Schutzstoffe, mit denen der Wald auf Hitze und Wassermangel reagierte.

Amazonas-Dürre verändert die Luft über dem Wald

Während der extremen Trockenheit gaben die Bäume 122 Prozent mehr Sesquiterpene ab. Diese flüchtigen Pflanzenstoffe entstehen häufig, wenn Pflanzen unter Stress geraten – etwa durch Hitze, Wassermangel, Verletzungen oder Ozonbelastung.

Der Wald wehrt damit nicht die Dürre selbst ab. Die Stoffe können aber helfen, Folgen des Stresses zu begrenzen. Einige Sesquiterpene wirken als chemische Warnsignale, andere können Pflanzenzellen vor Schäden durch Hitze und reaktive Sauerstoffverbindungen schützen. Der Amazonas schaltete also gewissermaßen in einen chemischen Notbetrieb.

„Bei schwerer Dürre verändert sich, was der Wald in die Luft abgibt: Die freigesetzten Verbindungen werden reaktiver und bleiben länger in der Luft“, sagt Joseph Byron, Erstautor der Studie.

Diese Stoffe verschwinden nicht einfach zwischen den Baumkronen. Sie reagieren in der Atmosphäre, etwa mit Ozon, und können dort weitere chemische Prozesse anstoßen.

Forscher messen direkt über dem Kronendach

Die Daten stammen vom Amazon Tall Tower Observatory (ATTO), einer Forschungsstation rund 150 Kilometer nordöstlich von Manaus. Dort nahm das Team Luftproben direkt über dem Kronendach. Die Proben kamen aus 23 Metern Höhe an einem 80 Meter hohen Turm. Alle eineinhalb bis drei Stunden fingen Kartuschen die Waldluft ein. Danach untersuchten die Forscher, welche Moleküle darin steckten.

Auch die Umweltwerte zeigen, wie hart El Niño den Wald traf. Die mittlere Temperatur im Kronendach stieg von 26 Grad Celsius auf 31 Grad Celsius. Die relative Luftfeuchtigkeit fiel zeitweise von 88 auf 62 Prozent. Die Bodenfeuchte nahm ebenfalls stark ab. Auch die Ozonbelastung stieg deutlich. Im Oktober 2023 wurden mit 26,4 ppb mehr als viermal höhere Werte gemessen als in normalen Regenzeiten.

Amazonas-Dürre wirkt nach dem Regen weiter

Die Forscher untersuchten mehrere Gruppen pflanzlicher Stoffe. Isopren und Monoterpene folgten eher dem üblichen Wechsel zwischen Regen- und Trockenzeit. Bei Sesquiterpenen sah das anders aus: Diese größeren und reaktionsfreudigeren Moleküle nahmen während der Dürre besonders stark zu.

Der chemische Schutzmodus endete nicht einfach mit der Rückkehr des Regens. In der Regenzeit nach dem Höhepunkt der Dürre fanden die Forscher weitere Stoffe, darunter Beta-Eudesmol, Alpha-Eudesmol und Gamma-Eudesmol. Diese Sesquiterpenalkohole tauchten in diesem Muster zuvor nicht auf. Sie deuten darauf hin, dass der Wald nach der akuten Trockenphase weiter auf Stress reagierte.

„Das spiegelt einen grundlegenden Wandel im Stoffwechsel des Waldes wider. Der Regenwald versucht, Folgen des extremen Trockenstresses abzumildern“, sagt Byron.

Ein Teil der Befunde lässt sich so zusammenfassen:

• Die Sesquiterpen-Emissionen stiegen während des El Niño um 122 Prozent.
• Die Messungen erfolgten direkt über dem Kronendach in 23 Metern Höhe.
• Nach der Dürre traten zusätzliche Sesquiterpenalkohole auf.
• Der Wald kehrte nicht sofort zu seinem üblichen chemischen Muster zurück.

Häufigere El-Niño-Dürren könnten den Amazonas dauerhaft verändern

El Niño tritt normalerweise alle zwei bis sieben Jahre auf. In der Zwischenzeit kann der Regenwald zu seinem üblichen Emissionsmuster zurückkehren. Doch Klimamodelle deuten darauf hin, dass solche Extremereignisse in diesem Jahrhundert häufiger und heftiger werden könnten.

„Dann könnten die veränderten Emissionen zum Dauerzustand werden – mit spürbaren Folgen für die Atmosphäre über dem Regenwald“, sagt Projektleiter Jonathan Williams.

Kurz zusammengefasst:

• Die Amazonas-Dürre 2023/2024 setzte den Regenwald stark unter Stress, weil Hitze, Wassermangel und trockene Böden die Pflanzen belasteten.
• Der Wald reagierte messbar auf diese Belastung: Die Bäume gaben 122 Prozent mehr Sesquiterpene ab, also pflanzliche Stoffe, die als Schutz- und Stresssignale wirken können.
• Auffällig ist, dass diese chemische Reaktion auch nach der Dürre anhielt, weshalb häufigere El-Niño-Ereignisse die Luftchemie über dem Amazonas langfristig verändern könnten.

Übrigens: Auch beim CO₂ stößt der Amazonas-Regenwald an seine Grenzen, denn nährstoffarme Böden bremsen den zusätzlichen Wachstumsschub. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Dom Jack / Max-Planck-Institut für Chemie

Eine Studie aus Science Advances zeigt nun einen möglichen Weg. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie und der Universität Bonn haben einen biologischen Schalter entdeckt, der Pflanzen länger mit nützlichen Bodenpilzen zusammenarbeiten lässt. Diese Pilze helfen den Wurzeln, mehr Phosphat und andere Nährstoffe aufzunehmen.

Pflanzen beenden die Hilfe der Pilze meist zu früh

Viele Pflanzen arbeiten mit sogenannten Mykorrhiza-Pilzen zusammen. Die feinen Pilzfäden reichen tief in den Boden und funktionieren wie ein zusätzliches Wurzelsystem. Sie transportieren Mineralstoffe und Wasser zur Pflanze. Diese Partnerschaft bringt mehrere Vorteile:

• bessere Aufnahme von Phosphat
• zusätzliche Versorgung mit Stickstoff, Magnesium und Kalium
• stabilere Wasserversorgung bei Trockenheit

Diese Zusammenarbeit kostet Energie. Die Pilze bekommen dafür Kohlenstoff in Form von Zucker aus der Photosynthese der Pflanzen als Nahrung. Pflanzen geben laut Studie bis zu 20 Prozent ihres erzeugten Kohlenstoffs an die Pilzpartner ab. Sobald genug angereichert ist, brechen viele Pflanzen die Verbindung aber wieder ab, um Energie zu sparen.

„Dieser Aufwand ist für die Pflanze so groß, dass sie die Symbiose unterdrückt, wenn genügend Phosphat im Boden verfügbar ist“, erklärt Martina Ried-Lasi, Leiterin der Arbeitsgruppe Symbiose-Signaling am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie.

Für die Landwirtschaft entsteht dadurch ein Problem. Denn die Pflanzen verlieren damit gleichzeitig alle Vorteile der Pilznetzwerke. Denn die Pilze verbessern ja zusätzlich die Aufnahme anderer wichtiger Nährstoffe.

„Für die Landwirtschaft werden daher Strategien gesucht, Kulturpflanzen unabhängig vom Phosphatgehalt im Boden mykorrhizieren zu können“, sagt Gabriel Schaaf von der Universität Bonn. „Unsere Studie zeigt einen möglichen Ansatz, um solche Symbiosen künftig gezielt zu fördern.“

Ein Enzym erkennt den Phosphatgehalt der Pflanze

In der Studie geht es vor allem um das Enzym VIH2. Es misst den Phosphatstatus der Pflanze und entscheidet mit, ob sie die Zusammenarbeit mit Bodenpilzen startet oder beendet. Sinkt der Wert, startet die Pflanze ein Notprogramm. Die Wurzeln verändern sich. Gleichzeitig öffnet sich die Pflanze stärker für Pilzpartner. Steigt der Phosphatgehalt wieder, stoppt die Zusammenarbeit normalerweise.

Die Forscher griffen mithilfe von VIH2 in diesen Mechanismus ein. Dadurch reagierten die Pflanzen weiter wie unter Nährstoffmangel, obwohl bereits genügend Phosphat vorhanden war.

„Wir haben untersucht, ob eine gezielte Drosselung des Enzyms das Notprogramm wieder startet und damit die Mykorrhizabildung ermöglicht“, berichtet Ried-Lasi. „Und in der Tat: Die Pflanzen verhielten sich so, als litten sie unter Phosphatmangel, obgleich ausreichend Phosphat im Nährmedium vorhanden war.“ Die Pflanzen hielten ihre Pilzpartnerschaften dauerhaft aufrecht und nahmen weiter große Mengen Nährstoffe auf.

Deutlich mehr Nährstoffe trotz normalem Wachstum

Die Wissenschaftler arbeiteten mit der Modellpflanze Lotus japonicus. In den Versuchen testeten sie unterschiedliche Phosphatwerte zwischen 25 und 1500 Mikromol. Die veränderten Pflanzen nahmen deutlich mehr Mineralstoffe auf. Teilweise lag die Phosphatmenge in den Pflanzensprossen etwa doppelt so hoch wie bei normalen Pflanzen. Zusätzlich stiegen auch Werte anderer Stoffe:

• Stickstoff
• Magnesium
• Kalium
• Schwefel
• Calcium

Die Pflanzen entwickelten sich trotz höherer Nährstoffwerte stabil weiter. Die Pilzstrukturen in den Wurzeln blieben intakt und funktionierten normal. „Damit konnten wir die Regulation der Mykorrhizasymbiose vom Phosphatgehalt im Boden entkoppeln“, erklärt Schaaf.

Genau das gilt seit Jahrzehnten als zentrales Ziel der Mykorrhizaforschung.

Die Forscher testeten ihre Pflanzen nicht nur im Labor. Die Experimente liefen zusätzlich mit natürlichem Oberboden und echten Bodenpilzen. Auch dort blieb die verstärkte Pilzbesiedelung erhalten.

Warum in Dünger enthaltenes Phosphat ein Umweltproblem ist

Weltweit werden jedes Jahr rund 200 Millionen Tonnen Rohphosphat gefördert. Etwa 90 Prozent davon fließen in die Herstellung von Düngemitteln. Das Problem betrifft mehrere Bereiche gleichzeitig. Viele Lagerstätten enthalten auch Schwermetalle. Außerdem gelangt überschüssiges Phosphat häufig in Gewässer. Dort fördert es massenhaftes Algenwachstum, die sich auch von Phosphat ernähren. Seen und Flüsse verlieren dadurch massiv an Sauerstoff, die Fische sterben, die Gewässer kippen.

Die Studie liefert deshalb mehr als nur einen neuen Pflanzen-Trick. Der Ansatz könnte langfristig helfen, Dünger sparsamer einzusetzen und damit sowohl Böden als auch die Natur weniger zu belasten.

Mit VIH2 identifizierten die Forscher einen regulatorischen Schalter, der die Zusammenarbeit zwischen Pflanzen und Pilzen direkt beeinflusst. Künftig könnte sich die Symbiosebereitschaft von Kulturpflanzen dadurch gezielt verändern lassen. Die Forscher verweisen dabei auch auf moderne Züchtungsverfahren wie Genomeditierung, ein Verfahren, mit dem Wissenschaftler gezielt einzelne Abschnitte im Erbgut von Pflanzen verändern können.

Die hilfreichen Pilznetzwerke können sogar das Klima beeinflussen

Laut Studie transportieren diese unterirdischen Mykorrhiza-Netzwerke jedes Jahr rund vier Milliarden Tonnen CO₂-Äquivalente aus Pflanzen in den Boden. Gleichzeitig verbessern die feinen Pilzfäden die Wasseraufnahme der Pflanzen. Das könnte in trockenen Sommern wichtig werden.

Bis zu 80 Prozent aller Landpflanzenarten arbeiten laut den Forschern mit solchen Pilzen zusammen. Dazu gehören auch wichtige Nutzpflanzen wie Mais, Reis und Weizen.

Noch offen bleibt allerdings eine entscheidende Frage: Ob höhere Nährstoffmengen später tatsächlich größere Ernten ermöglichen, müssen weitere Feldversuche erst noch zeigen.

Kurz zusammengefasst:

• Pflanzen arbeiten mit Bodenpilzen zusammen, um mehr Phosphat, Wasser und andere wichtige Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. Normalerweise beenden sie diese Partnerschaft wieder, sobald genug Nährstoffe vorhanden sind.
• Forscher entdeckten nun einen biologischen Schalter namens VIH2, mit dem sich diese Zusammenarbeit dauerhaft aktiv halten lässt. Die Pflanzen nahmen dadurch deutlich mehr Mineralstoffe auf, entwickelten sich aber weiterhin normal.
• Dieser Ansatz könnte helfen, künftig weniger Dünger einzusetzen und damit Böden sowie Gewässer zu entlasten. Besonders wichtig ist dies, da Phosphat als begrenzte Ressource gilt und überschüssiger Dünger Umweltprobleme verursacht.

Übrigens: Während Forscher Wege entdeckt haben, Pflanzen über Pilzsymbiosen besser zu versorgen, erforschen andere, wie Wurzeln mithilfe des Mineralstoffs Kalzium unter der Erde gezielt auf Druck, Trockenheit und Hindernisse reagieren. Sogenannte Kalziumsignale könnten erklären, warum manche Pflanzen selbst in harten Böden weiter wachsen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Unsplash

Diese natürliche Reinigungsleistung gerät durch den Klimawandel unter Druck. Ein internationales Team um die Universität Basel und das Wasserforschungsinstitut Eawag zeigt am Baldeggersee in der Schweiz: Wärmere Winter können diese Durchmischung verkürzen. Dadurch bleibt mehr Stickstoff im Wasser, der über Flüsse bis in Küstenregionen gelangt. Dort wirkt er wie Dünger. Algen wachsen stärker, Sauerstoff wird knapp, empfindliche Tiere geraten unter Stress.

Warum Seen im Winter besonders stark filtern

Untersucht wurde der Baldeggersee im Schweizer Kanton Luzern. Der See ist 5,3 Quadratkilometer groß und typisch für viele Gewässer in Mitteleuropa. Forscher analysierten dort die sogenannte Denitrifikation. Dabei wandeln Mikroorganismen Stickstoffverbindungen wie Nitrat in Stickstoffgas um. Der Stoff verschwindet dadurch aus dem Wasserkreislauf.

Besonders aktiv verlief dieser Prozess während der winterlichen Durchmischung des Sees. In dieser Phase vermischen sich warmes Oberflächenwasser, die mittlere Übergangszone und kaltes Tiefenwasser vollständig miteinander. Sauerstoff und Nährstoffe verteilen sich dadurch im gesamten Gewässer.

Die Ergebnisse überraschten selbst Fachleute. Während der kalten Jahreszeit arbeitete der natürliche Stickstofffilter fast 50 Prozent stärker als im Sommer. „Die Fähigkeit von Seen, Stickstoff aus dem Wasser zu entfernen, hängt stark von der Jahreszeit ab. Und genau das verändert der Klimawandel“, sagt Hauptautor Cameron Callbeck.

Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Ergebnisse im Fachjournal Nature Microbiology. Laut ihren Berechnungen könnte sich die winterliche Mischphase im schlimmsten Klimaszenario um rund 27 Tage verkürzen. Die natürliche Stickstoffentfernung würde dann um acht bis 13 Prozent sinken.

Klimawandel schwächt Seen als natürliche Stickstofffilter

Wie groß diese Leistung ist, zeigt eine Zahl: Rund 20 Prozent der natürlichen Stickstoffentfernung in Binnengewässern gehen laut den Forschern auf solche Prozesse zurück.

Bleibt zu viel Stickstoff im Wasser, gelangt er über Flüsse weiter ins Meer. Dort wirkt er wie Dünger. Manche Küstenregionen entwickeln sich zu sogenannten Todeszonen, in denen viele Tiere kaum noch überleben können. Die Folgen zeigen sich bereits heute in verschiedenen Meeresregionen:

• starke Algenblüten
• Sauerstoffmangel im Wasser
• Stress für empfindliche Tierarten
• Rückgang von Fischen und anderen Organismen

Schon kleine Veränderungen im saisonalen Mischrhythmus können den Stickstoffkreislauf messbar beeinflussen, sagt Moritz Lehmann von der Universität Basel.

Mikroben arbeiten am Seegrund zusammen

Besonders spannend wirkt ein Detail tief im Sediment des Sees. Dort fanden die Forscher eine Art mikrobielles Teamwork. Einige Bakterien bauen Chitin ab. Das Material stammt unter anderem aus abgestorbenen Algen oder den Hüllen kleiner Wasserlebewesen. Beim Abbau entstehen Stoffe, die anderen Mikroorganismen als Energiequelle dienen. Diese Mikroben treiben anschließend die Denitrifikation an und entfernen Stickstoff aus dem Wasser.

Vermutlich trägt dieses Zusammenspiel dazu bei, dass die Mikroorganismen im Winter besonders aktiv sind. Ganz geklärt ist der Mechanismus bisher aber noch nicht. „Wir wissen bisher noch nicht genau, warum die Denitrifikation besonders im Winter so stark ausfällt“, sagt Callbeck.

So berechneten die Forscher den Stickstoffabbau im See

Für die Untersuchung kombinierten die Teams mehrere Methoden. Sie markierten Stickstoffverbindungen mit dem seltenen Isotop 15N und verfolgten anschließend deren Umwandlung in Stickstoffgas. Zusätzlich entwickelten sie ein Modell für den gesamten See. „Die Isotopenmessungen und die berechnete Gesamtbilanz stimmten zwischen Beobachtungen und Modell sehr gut überein“, sagt Callbeck. Dadurch ließ sich die Stickstoffentfernung des Sees deutlich genauer berechnen.

Noch offen ist, ob sich dadurch auch die Bildung von Lachgas verändert. Das Gas entsteht ebenfalls bei wichtigen Stickstoffprozessen in Seen und wirkt deutlich stärker auf das Klima als CO₂. Die Forscher wollen nun klären, ob wärmere Winter diesen Effekt zusätzlich verstärken.

Kurz zusammengefasst:

• Seen reinigen Wasser mit Hilfe von Mikroorganismen, die überschüssigen Stickstoff abbauen und damit Flüsse sowie Meere entlasten.
• Der Klimawandel verändert die winterliche Durchmischung vieler Seen und schwächt dadurch ihre natürliche Filterfunktion gegen Stickstoff.
• Gelangt mehr Stickstoff aus Seen ins Meer, drohen Algenblüten, Sauerstoffmangel und Schäden für empfindliche Ökosysteme in Küstenregionen.

Übrigens: Der Klimawandel verändert Seen offenbar noch viel stärker als bisher gedacht. Eine Langzeitstudie aus Finnland zeigt, dass spätere Eisbildung das Tiefenwasser vieler Seen paradoxerweise sogar stärker abkühlen kann – mit möglichen Folgen für Fische, Sauerstoff und Mikroorganismen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Paradise Chronicle via Wikimedia unter CC BY-SA 4.0

Die Untersuchung stammt von Hongbin Yu und seinem Team von der University of Maryland und dem NASA Goddard Space Flight Center. Die Forscher werteten dafür Satellitendaten aus den Jahren 2007 bis 2013 aus. Eine neuere Studie von Xurong Wang und Kollegen aus dem Jahr 2023 kommt mit neueren Messdaten und Computersimulationen zu einem ähnlichen Ergebnis: Im Amazonas bringt der Staub Phosphor mit – einen Nährstoff, den viele Böden dort dringend brauchen. Ohne diesen Nachschub würde der Regenwald durch Regen und Überschwemmungen ständig wichtige Mineralstoffe verlieren.

Saharastaub erreicht den Amazonas

Laut der Untersuchung aus 2015 gelangen jedes Jahr rund 27,7 Millionen Tonnen Staub in das Amazonasgebiet. Insgesamt hebt der Wind jährlich sogar 180 bis 200 Millionen Tonnen feiner Staubpartikel aus der Sahara in die Atmosphäre. Passatwinde treiben die Wolken danach quer über den Atlantik.

Die neuere Studie kommt sogar auf deutlich größere Mengen: Demnach gelangen jedes Jahr rund 730 Millionen Tonnen Staub aus Nordafrika in die Atmosphäre. Mehr als 70 Prozent des weltweiten Wüstenstaubs stammen laut den Forschern aus dieser Region.

Ein großer Teil des Staubs fällt bereits unterwegs ins Meer. Rund 132 Millionen Tonnen landen im Atlantik. Etwa 24 Millionen Tonnen ziehen weiter Richtung Karibik. Trotzdem erreicht genug Material Südamerika, um den Regenwald messbar zu beeinflussen. Entscheidend ist dabei nicht der Sand selbst, viel wichtiger ist Phosphor.

Dieser Nährstoff hilft Pflanzen bei der Photosynthese und beim Aufbau von Zellen. Ohne ausreichend Phosphor wächst selbst dichter Regenwald schlechter. Darin liegt das Problem vieler Böden im Amazonasgebiet. Rund 90 Prozent gelten als phosphorarm.

Warum der Amazonas ständig Nährstoffe verliert

Im Amazonas regnet es fast täglich. Die Wassermassen halten den Wald zwar grün, sie spülen aber auch Mineralstoffe aus dem Boden. Besonders Phosphor verschwindet dadurch nach und nach aus dem Ökosystem. Die Forscher berechneten, dass der Staub aus Afrika jedes Jahr rund 22.000 Tonnen Phosphor in die Region bringt. Das entspricht fast genau der Menge, die durch Regen verloren geht.

Die Studie von 2023 kommt auf einen jährlichen Phosphor-Eintrag von durchschnittlich 0,97 Milligramm pro Quadratmeter. Während der Regenzeit liegt der Wert mit 1,6 Milligramm pro Quadratmeter höher.

Im Fachartikel schreiben Hongbin Yu und seine Kollegen, der Eintrag aus Afrika sei „vergleichbar mit dem hydrologischen Verlust von Phosphor“. Ohne diesen Nachschub könnte sich der Vorrat in den Böden über Jahrzehnte oder Jahrhunderte deutlich verringern.

Der Amazonas funktioniert damit offenbar nicht als abgeschlossenes System. Der Regenwald hängt mit einer Region zusammen, die auf den ersten Blick kaum gegensätzlicher wirken könnte: der größten Trockenwüste der Erde.

Der wichtige Stoff stammt nicht aus gewöhnlichem Sand

Besonders spannend wirkt die Herkunft des Phosphors. Er stammt offenbar nicht einfach aus normalem Wüstensand. Teile des Materials kommen aus uralten biologischen Ablagerungen früherer Seen in Afrika.

Lange galt die Bodélé-Senke im heutigen Tschad als wichtigste Quelle. Dort lag vor 5000 bis 8000 Jahren ein riesiger Süßwassersee. Als das Wasser verschwand, blieben Ablagerungen aus Mikroorganismen, Fischresten und anderen organischen Stoffen zurück. Diese Sedimente enthalten ungewöhnlich viel Phosphor.

Starke Windkanäle zwischen den Tibesti- und Ennedi-Bergen wirbeln dort fast täglich Staub auf. Deshalb zählt die Region bis heute zu den aktivsten Staubquellen der Erde.

Spätere Untersuchungen brachten allerdings Zweifel auf. Ein Team vom Princeton Geophysical Fluid Dynamics Laboratory kam 2020 zu einem anderen Ergebnis. Die Forscher vermuten westlichere Regionen der Sahara als Hauptquelle des Staubs, der tatsächlich den Amazonas erreicht.

Satelliten machten die Verbindung sichtbar

Frühere Messungen lieferten nur grobe Schätzungen. Die Studie nutzte deshalb Lasermessungen des NASA-Satelliten CALIPSO. Das System konnte die Staubwolken dreidimensional erfassen. Dadurch ließ sich erstmals genauer verfolgen, wie sich die Partikel durch die Atmosphäre bewegen.

Die Daten zeigen außerdem starke Schwankungen zwischen einzelnen Jahren. Teilweise unterschieden sich die Staubmengen um bis zu 29 Prozent. Auch das Wetter in Afrika beeinflusst den Transport. Fällt in der Sahelzone mehr Regen, gelangt oft weniger Staub Richtung Atlantik. Trockene Jahre erhöhen dagegen die Staubmengen deutlich.

Von Januar bis April ist der Einfluss besonders groß. In dieser Regenzeit stammt im Amazonasbecken im Schnitt 40 Prozent der bodennahen Aerosolmasse aus afrikanischem Staub. In einzelnen Regionen sind es sogar bis zu 70 Prozent.

Die Forscher fanden zudem Hinweise darauf, dass ein großer Teil des Materials schon im Norden des Amazonas niedergeht. Dort fällt besonders viel Regen. Dieser Regen wäscht den Staub aus der Atmosphäre heraus.

Ganz geklärt bleibt die Geschichte trotzdem nicht. Forscher diskutieren weiter darüber, welche Regionen der Sahara den größten Anteil des Staubs liefern. Klar scheint dagegen die Verbindung selbst. Eine Wüste auf einem Kontinent beeinflusst die Nährstoffversorgung eines Regenwalds auf einem anderen.

Kurz zusammengefasst:

• Jedes Jahr transportieren Winde rund 28 Millionen Tonnen Saharastaub über den Atlantik in den Amazonas. Der Staub enthält Phosphor, einen wichtigen Nährstoff für Pflanzen und Böden.
• Viele Böden im Amazonasgebiet sind stark phosphorarm. Der Staub aus Afrika gleicht einen großen Teil der Nährstoffverluste aus, die durch starke Regenfälle entstehen.
• Satellitendaten der NASA zeigen, dass Regenwald und Wüste eng verbunden sind. Veränderungen des Klimas in Afrika können deshalb auch Folgen für den Amazonas haben.

Übrigens: Während Saharastaub den Amazonas mit wichtigen Nährstoffen versorgt, spaltete extremes Wetter Europa zuletzt in Hitze und Kälte. Neue Klimadaten zeigen ungewöhnlich warme Ozeane und starke Temperaturgegensätze zwischen Spanien und Osteuropa – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © NOAASatellites via Wikimedia unter Public Domain

Neue Daten der Universität Göteborg zeigen diesen Wandel. Der Ozean wird träger, weil wichtige Wasserschichten seltener miteinander in Austausch kommen. Das betrifft nicht nur das Meer selbst, sondern auch seine Rolle als Schutzschild gegen die Erderwärmung.

Der Massenschwerpunkt des Ozeans verschiebt sich seit Jahrzehnten

Die Forscher untersuchten den Zeitraum von 1992 bis 2017 und nutzten dafür das globale Ozeanmodell ECCOv4r4. Statt nur die Temperatur an der Oberfläche zu betrachten, analysierten sie die gesamte Wassermasse des Ozeans. Entscheidend war die Frage, wo der physikalische Schwerpunkt des Ozeans liegt.

Dieser Schwerpunkt zeigt, ob sich mehr dichte Wassermassen tief unten sammeln. Je stärker sich die Wasserschichten voneinander trennen, desto tiefer liegt dieser Punkt. Diese Verschiebung konnten die Forscher nun messen: Der Schwerpunkt sank um 0,66 Zentimeter pro Jahrzehnt. Über die gesamten 26 Jahre verschob er sich um fast zwei Zentimeter.

Studienleiter Fabien Roquet, Professor für Ozeanografie an der Universität Göteborg, ordnet das wie folgt ein: „Das ist ein wichtiger Indikator für den fortschreitenden Klimawandel im Ozean.“ Besonders auffällig sei die Konstanz. „Wir sehen nicht nur, dass die Schichtung zunimmt, sondern dass sie dies stetig über die Zeit tut.“

Die Erwärmung stört den natürlichen Kreislauf im Ozean

Die Ursache liegt vor allem in den oberen Meeresschichten. Der Ozean nimmt immer mehr Wärme aus der Atmosphäre auf. Warmes Wasser ist leichter als kaltes Wasser und bleibt deshalb eher an der Oberfläche. Kaltes, dichteres Wasser sinkt tiefer ab.

„Das zeigt auch, dass die zunehmende Schichtung eng mit der globalen Erwärmung verbunden ist“, so Roquet. Für das Meer hat das spürbare Folgen. Denn der Ozean funktioniert nur dann gut, wenn sich diese Schichten regelmäßig durchmischen. Das betrifft mehrere Bereiche:

• Wärme kann schlechter in tiefere Wasserschichten transportiert werden
• Kohlendioxid bleibt stärker in oberen Bereichen
• nährstoffreiches Tiefenwasser erreicht seltener die Oberfläche
• die Sauerstoffverhältnisse verändern sich
• Fischbestände und Nahrungsketten geraten unter Druck

Laut Roquet beeinflusst das auch große Meeresströmungen, biogeochemische Kreisläufe und Sauerstoffbedingungen. Das betrifft vor allem die Fischerei: Viele Fischarten hängen davon ab, dass nährstoffreiches Wasser aus der Tiefe nach oben steigt. Bleibt dieser Austausch aus, verändert sich das gesamte marine Nahrungsnetz.

Viel entscheidet sich schon in den oberen 400 Metern

Die Studie zeigt auch, wo der Wandel besonders stark entsteht. Viele frühere Untersuchungen konzentrierten sich vor allem auf die oberen 200 Meter des Ozeans. Das greift offenbar zu kurz. Die neuen Berechnungen zeigen:

• 25 Prozent des globalen Trends entstehen in den oberen 100 Metern
• 50 Prozent liegen in den oberen 200 Metern
• 75 Prozent entstehen in den oberen 400 Metern

Ein großer Teil des Klimasignals sitzt also deutlich tiefer. Die Forscher halten Auswertungen nur bis 200 Meter deshalb für zu ungenau. Im Ozean verschiebt sich den Messungen zufolge die innere Struktur langsam, aber messbar.

Nicht überall wird die Schichtung stärker

Besonders starke Veränderungen fanden die Forscher im tropischen Pazifik, im Indischen Ozean und entlang großer Meeresströmungen wie dem Golfstrom-System. Auch in der Arktis zeigen sich deutliche Veränderungen. In Teilen der Beaufortsee lagen die lokalen Veränderungen bei bis zu vier Millimetern pro Jahr.

Dort spielt nicht nur Wärme eine Rolle, sondern auch der Salzgehalt des Wassers. In tropischen Regionen treibt vor allem die Temperatur die stärkere Schichtung an. Eine wichtige Ausnahme liegt jedoch im subpolaren Nordatlantik – also zwischen Nordeuropa, Grönland und den Britischen Inseln. Dort nahm die Schichtung nicht zu, sondern eher ab.

Das ist besonders spannend wegen der Debatte um die AMOC. Dieses Strömungssystem steht immer wieder im Verdacht, durch den Klimawandel zu kollabieren. „Es ist interessant, weil aktuelle Forschung nahelegt, dass eine stärkere Schichtung das AMOC-System schwächen würde, zu dem auch der Golfstrom gehört“, sagt Roquet. In den vergangenen Jahrzehnten habe sein Team dort jedoch das Gegenteil beobachtet. „Unsere Forschung deutet daher nicht auf einen unmittelbar bevorstehenden Kollaps der AMOC hin – eher im Gegenteil.“

Ein neues Werkzeug für den Blick ins Meer

Bisher nutzten Forscher oft andere Kennzahlen, um die Schichtung des Ozeans zu messen. Diese reagierten jedoch stark auf kurzfristige Schwankungen wie El Niño. Der neue Schwerpunkt-Ansatz ist robuster. In der Studie zeigte sich fast eine perfekte Verbindung zwischen dem Schwerpunkt und dem gesamten Wärmeinhalt des Ozeans.

Der Schwerpunkt liegt laut Berechnung heute rund 70 Zentimeter tiefer, als er in einem vollständig durchmischten Ozean liegen würde. Je stärker sich dichte Wassermassen unten sammeln, desto weiter sinkt dieser Punkt. Roquet fasst es so zusammen:

Der Ozean sendet klare Signale. Indem wir den Schwerpunkt des Ozeans messen, lassen sich seine komplexen Klimasignale leichter erkennen und erklären.

Kurz zusammengefasst:

• Der Massenschwerpunkt des Ozeans sinkt, weil warmes Wasser häufiger an der Oberfläche bleibt und sich kaltes, dichteres Wasser tiefer unten sammelt. Dadurch mischen sich die Wasserschichten schlechter, und der Ozean verliert einen Teil seiner Fähigkeit, Wärme, Kohlendioxid und Nährstoffe zu verteilen.
• Besonders wichtig ist, dass rund 75 Prozent dieser Veränderung in den oberen 400 Metern des Meeres entstehen. Wer nur die obersten 200 Meter betrachtet, unterschätzt deshalb einen großen Teil des eigentlichen Klimasignals.
• Die stärkere Schichtung beeinflusst Fischbestände, Sauerstoffverhältnisse und große Meeresströmungen wie das Golfstrom-System. Einen unmittelbaren Kollaps der AMOC sieht die Studie jedoch nicht, sondern ein komplexes und regional sehr unterschiedliches Bild.

Übrigens: Während sich der Massenschwerpunkt des Ozeans verschiebt, könnte schon bald ein weiteres Klimasignal dazukommen – ein neues El-Niño-Ereignis im Pazifik. NOAA sieht ab Sommer 2026 eine deutlich steigende Wahrscheinlichkeit dafür, was weltweit Dürren, Starkregen und neue Temperaturrekorde begünstigen könnte. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Unsplash

Solche sauerstoffarmen Zonen breiten sich in den Meeren weltweit aus. Dadurch könnten winzige Mikroben künftig eine größere Rolle dafür spielen, wie Kohlenstoff und Schwefel im Ozean verarbeitet werden, wie eine Studie der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) zeigt.

Sauerstoffmangel im Meer verändert kleinste Lebewesen

Wie stark sich dieser Sauerstoffverlust bereits bemerkbar macht, beschreibt Biogeochemiker Dr. Gonzalo Gomez Saez vom Department für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU. „Innerhalb von nur 50 Jahren – von 1960 bis 2010 – ging der globale Sauerstoffgehalt der Ozeane um zwei Prozent zurück und die Fläche der sauerstofffreien Gewässer vervierfachte sich“, sagt der Hauptautor der Arbeit. „Dieser massive Sauerstoffverlust verändert wesentliche Stoffkreisläufe, auf denen marine Ökosysteme fußen.“

Damit verändert sich nicht nur die Lebenswelt größerer Meerestiere. Auch Mikroorganismen reagieren auf den Sauerstoffmangel. Einige greifen dann auf andere Energiequellen zurück. Das kann Stoffkreisläufe im Meer verschieben.

Eine dieser Energiequellen sind organische Schwefelverbindungen. Sie kommen natürlich im Meer vor. Auch Taurin gehört dazu. Mikroben können Taurin abbauen und daraus Energie gewinnen. Es kann für sie gleich mehrere wichtige Bausteine liefern: Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel. In Wasserschichten mit wenig Sauerstoff scheinen sich solche Verbindungen besonders stark anzusammeln. Bisher war unklar, welche Mikroben sie dort nutzen und welche Rolle der Sauerstoffmangel dabei spielt.

Im dänischen Fjord wird der Sauerstoff knapp

Untersucht wurde der Mariager Fjord in Dänemark. Dieser Meeresarm verliert im Sommer regelmäßig viel Sauerstoff. Eine flache Schwelle verbindet ihn mit dem Kattegat und begrenzt den Austausch mit Tiefenwasser. Warmes Wetter verstärkt die Schichtung zusätzlich.

Dadurch bleibt oben mehr Sauerstoff erhalten, während unten Sauerstoffmangel entsteht. Deshalb eignet sich der Fjord als natürliches Labor für solche Prozesse. Die Messwerte belegen den Unterschied:

• In 5 Metern Tiefe lag der Sauerstoffwert bei 272 Mikromol pro Liter – das entsprach 95 Prozent Sättigung.
• In 25 Metern Tiefe waren es nur noch 14 Mikromol pro Liter – nur vier Prozent.
• Als hypoxisch gelten Gewässer bereits unter 63 Mikromol pro Liter.

Taurin verschwindet dort, wo wenig Sauerstoff bleibt

Auch bei Taurin zeigen die Daten: Je tiefer das Wasser, desto weniger davon war messbar. An der Oberfläche fanden die Forscher noch 5,5 Nanomol pro Liter. In 15 Metern Tiefe waren es 3,4 Nanomol. In 25 Metern Tiefe lag der Wert bereits unter der Nachweisgrenze. Das deutete darauf hin, dass Mikroorganismen Taurin dort besonders stark verbrauchen.

„Viele Mikroben im Meer besitzen das genetische Potenzial, Taurin zu verstoffwechseln – doch es ist unklar, wie diese Aktivität mit dem weltweiten Rückgang an Sauerstoff zusammenhängt“, sagt Gomez Saez. „Daher war es unser Ziel, zu verstehen, wie unterschiedliche Konzentrationen von im Wasser gelöstem Sauerstoff die mikrobielle Verarbeitung von Taurin beeinflussen.“

Bestimmte Bakterien nutzen Taurin nur bei Sauerstoffmangel

Für die Untersuchung inkubierte Dr. Ömer Coskun, Erstautor der Studie und ehemaliger LMU-Forscher, Wasserproben mit markierten Nährstoffen. So ließ sich genau verfolgen, welche Mikroben Kohlenstoff aus Taurin, Methionin oder Glukose aufnahmen. „So konnten wir nachverfolgen, welche Mikroben bei den unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen im Fjord Kohlenstoff aus den jeweiligen Verbindungen aufnahmen“, sagt Gomez Saez.

Das zentrale Ergebnis überraschte: In sauerstoffreichem Wasser nutzten Mikroben zwar Glukose und Methionin, aber kein Taurin. Erst unter Sauerstoffmangel änderte sich das. Dort verwerteten 23 unterschiedliche Mikroben-Gruppen Taurin aktiv. Sie machten rund 23 Prozent der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft aus.

Diese Bakterien könnten künftig noch wichtiger werden

Besonders häufig gehörten diese Mikroben zur Gruppe der Bacteroidota, also Flavobakterien. 17 der 23 Taurin-Nutzer stammten aus diesem Stamm – rund 75 Prozent. Diese Bakterien gelten als Spezialisten für den Abbau organischer Stoffe. Offenbar kommen sie auch mit wenig Sauerstoff gut zurecht und können Schwefelverbindungen effizient nutzen.

Auch bei Methionin ergab sich ein ähnliches Muster. Viele Mikroben verwerteten beide Stoffe parallel. Das spricht für eine flexible Anpassung an schwierige Bedingungen. Für die Meere ist das wichtig, weil solche Prozesse beeinflussen:

• den Kohlenstoffkreislauf
• den Schwefelkreislauf
• die Nahrungsketten im Wasser
• langfristig die Stabilität ganzer Ökosysteme

Der Mariager Fjord ist nur ein Beispiel, doch das Problem wächst weltweit. Durch die Erwärmung löst sich weniger Sauerstoff im Wasser. Die stärkere Schichtung erschwert zusätzlich den Austausch zwischen Oberfläche und Tiefe. Sauerstoffarme Gebiete breiten sich deshalb in vielen Küstenregionen aus. Mikroorganismen, die Verbindungen wie Taurin verwerten, könnten dadurch künftig eine deutlich größere Rolle spielen.

Kurz zusammengefasst:

• Sauerstoffmangel im Meer entsteht durch Erwärmung und stärkere Wasserschichtung, wodurch weniger Sauerstoff in tiefere Schichten gelangt und sich ganze Ökosysteme verändern.
• Unter sauerstoffarmen Bedingungen wird Taurin, bekannt aus Energydrinks, für bestimmte Meeresbakterien zu einer wichtigen Energiequelle, obwohl es in sauerstoffreichem Wasser kaum genutzt wird.
• Vor allem Bacteroidota-Bakterien verwerten Taurin bei Sauerstoffmangel und beeinflussen damit wichtige Prozesse wie den Kohlenstoff- und Schwefelkreislauf sowie langfristig die Stabilität mariner Nahrungsketten.

Übrigens: Sauerstoffmangel im Meer verändert nicht nur winzige Mikroben, sondern kann sogar ganze Tiefsee-Korallenriffe über Jahrhunderte verschwinden lassen. Warum rund um die Galápagos-Inseln ausgerechnet eine lange La-Niña-Phase das Ökosystem kollabieren ließ, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Gonzalo Gomez Saez