Magnet-Trick: Wie Böden Milliarden Tonnen CO₂ speichern

Magnet-Trick unter unseren Füßen: Wie Böden CO₂ speichern und Milliarden Tonnen festhalten

Eisenminerale im Boden wirken wie chemische Fixierer: Sie binden organischen Kohlenstoff so stabil, dass Böden Milliarden Tonnen CO₂ über lange Zeit speichern.

Rund 2.500 Milliarden Tonnen Kohlenstoff lagern weltweit im Boden. Diese Menge übersteigt den Kohlenstoffvorrat der Atmosphäre deutlich. Wer verstehen will, wie Böden CO₂ speichern, muss daher nicht in den Himmel, sondern ins Erdreich blicken. Dort reagieren Mineralien und organische Stoffe auf engstem Raum miteinander. Neue Ergebnisse aus dem Fachjournal Environmental Science & Technology liefern dafür eine präzise chemische Erklärung.

Die Studie stammt von einem Team um die Umweltchemikerin Ludmilla Aristilde an der Northwestern University. Untersucht wurde Ferrihydrit, ein weit verbreitetes Eisenoxid, das besonders häufig in wurzelnahen Böden und organikreichen Sedimenten vorkommt. Mehr als ein Drittel des organischen Kohlenstoffs im Boden ist an Eisenoxide gebunden. Deshalb kommt es darauf an, wie stabil diese Mineralien den Kohlenstoff festhalten.

Eisen wirkt im Boden als chemischer Fixierer

Eisen zieht organische Moleküle zunächst wie ein Magnet an – anschließend fixiert es sie chemisch. Die Oberfläche des Minerals ist dabei kein gleichmäßig positiv geladener Film. Im Nanobereich entsteht ein Mosaik aus positiven und negativen Feldern. Dadurch können unterschiedlich geladene Moleküle andocken.

Neben elektrostatischer Anziehung entstehen direkte chemische Bindungen an Eisenatome sowie Wasserstoffbrücken. Besonders stabil sind Verbindungen, bei denen ein sogenannter Ligandenaustausch stattfindet. Dabei ersetzt ein organisches Molekül eine Oberflächengruppe des Minerals. Diese Mehrfachbindung macht die Verankerung langlebig.

Hier beginnt die ökologische Wirkung dieser Chemie. Denn was fest an einem Mineral sitzt, steht Mikroorganismen nicht mehr frei zur Verfügung.

Mikroorganismen stoßen an Grenzen – CO₂-Freisetzung verlangsamt sich

Im Boden arbeiten Milliarden Mikroorganismen. Sie zersetzen abgestorbene Pflanzenreste, Proteine, Zucker oder organische Säuren. Dieser Abbau setzt Energie frei. Gleichzeitig entsteht CO₂. Ein erheblicher Teil des gebundenen Kohlenstoffs würde so wieder in die Atmosphäre zurückkehren.

Doch nicht jedes Molekül bleibt für Mikroben erreichbar. Bindet es an ein Eisenmineral, verändert sich seine Position. Es liegt nicht mehr frei, sondern sitzt an der Mineraloberfläche. Manche Verbindungen gehen einen Ligandenaustausch mit Eisen ein. Das erhöht ihre Stabilität deutlich. Für Mikroorganismen wird der Zugriff schwieriger.

Die Folge: Der Abbau verlangsamt sich. Kohlenstoff verbleibt länger im Boden. Je stabiler die Bindung, desto geringer die Wahrscheinlichkeit, dass er rasch als CO₂ freigesetzt wird. Jeder stabil gebundene Kohlenstoffanteil ist weniger CO₂ in der Atmosphäre.

„Eisenoxid-Minerale sind wichtig für die Kontrolle der langfristigen Erhaltung von organischem Kohlenstoff in Böden und marinen Sedimenten“, erklärt Aristilde. „Das Schicksal des organischen Kohlenstoffs in der Umwelt ist eng mit dem globalen Kohlenstoffkreislauf verknüpft, einschließlich der Umwandlung organischer Substanz in Treibhausgase“, so die Chemikerin.

Der Effekt bremst den Kohlenstoffkreislauf spürbar

Wenn organische Moleküle fest an Eisenminerale andocken, verlängert sich ihre Lebensdauer. Dieser Mechanismus wirkt wie eine Bremse im Kohlenstoffkreislauf. Wird organisches Material rasch von Mikroorganismen abgebaut, steigt die CO₂-Freisetzung. Sitzt es stabil an Mineraloberflächen, verbleibt es im Bodenpool. Das stärkt die Rolle der Böden als Kohlenstoffsenke.

Je stärker organische Stoffe an Eisen gebunden sind, desto robuster reagiert der Speicher auf Temperaturschwankungen oder veränderte Feuchtigkeitsbedingungen. Zwar können extreme Bedingungen Bindungen lösen, doch stabile chemische Verankerungen erhöhen die Widerstandsfähigkeit. Damit beeinflusst die Mineralstruktur langfristige Klimaprognosen.

Eisen beeinflusst auch die Qualität des Bodens

Der Effekt betrifft nicht nur das Klima. Organischer Kohlenstoff ist ein zentraler Bestandteil fruchtbarer Böden. Er verbessert:

die Bodenstruktur
die Wasserspeicherfähigkeit
die Nährstoffverfügbarkeit
die Stabilität gegenüber Erosion

Bindet organische Substanz an Mineralien, entsteht eine stabile Bodenmatrix. Diese Struktur macht Böden krümeliger und fördert die Durchlüftung. Gleichzeitig schützt die Bindung organische Nährstoffe vor schnellem Abbau. Das kann die langfristige Bodenfruchtbarkeit erhöhen.

Allerdings braucht ein gesunder Boden Balance. Sehr fest gebundene Verbindungen stehen Mikroorganismen nur eingeschränkt als Energiequelle zur Verfügung. Ein aktives Bodenleben benötigt daher sowohl stabile als auch leicht verfügbare Kohlenstoffverbindungen.

Kurz zusammengefasst:

Böden speichern weltweit rund 2.500 Milliarden Tonnen Kohlenstoff; mehr als ein Drittel davon ist an Eisenoxide wie Ferrihydrit gebunden, die organische Moleküle nicht nur anziehen, sondern chemisch fixieren.
Diese stabile Bindung – etwa durch Ligandenaustausch, elektrostatische Kräfte und Wasserstoffbrücken – erschwert Mikroorganismen den Zugriff, verlangsamt den Abbau organischer Substanz und reduziert so die CO₂-Freisetzung.
Der Mechanismus stabilisiert organische Substanz im Boden und stärkt damit seine Funktion als Kohlenstoffsenke.

Übrigens: Als Wälder in den Dürrejahren kaum noch CO₂ aufnahmen, sprang der Boden ein und band überraschend große Mengen Kohlenstoff aus abgestorbenen Wurzeln, Laub und Holz. Warum dieser unsichtbare Puffer die Klimabilanz kurzfristig stabilisieren kann – und wo seine Grenzen liegen – mehr dazu in unserem Artikel.