Invasion History and Soil Depth Shape Microbial Functional Groups and Methanogen Communities in Phragmites australisCoastal Wetlands

Küstenfeuchtgebiete gehören zu den produktivsten Orten der Erde, da sie wie riesige Schwämme fungieren, die Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufsaugen und im Boden speichern. Diese wassergesättigten Umgebungen sind jedoch auch natürliche Fabriken für Treibhausgase. Da der Boden oft wassergesättigt ist und keinen Sauerstoff enthält, übernehmen spezifische Gemeinschaften mikroskopisch kleiner Organismen die Aufgabe, abgestorbene Pflanzenmaterie abzubauen. Dabei setzen sie Methan frei, ein potentes Gas, das Wärme in der Atmosphäre einschließt. Das Gleichgewicht zwischen der Speicherung von Kohlenstoff und der Freisetzung von Gasen hängt stark von den Pflanzen ab, die über dem Boden wachsen. Verschiedene Pflanzen lassen unterschiedliche Arten von Blättern und Wurzeln fallen und pumpen durch ihre Stängel unterschiedliche Mengen an Sauerstoff in den Boden. Diese subtilen Veränderungen in der unterirdischen Umgebung bestimmen, welche Mikroben gedeihen und welche Gase sie produzieren. Wenn eine neue Pflanzenart einrückt und die einheimischen Arten verdrängt, kann sie die Regeln für die gesamte unter der Oberfläche lebende mikrobielle Gemeinschaft neu schreiben.

In den Brackwasser-Marschlanden entlang des Rhode River in Maryland ersetzt ein hohes, invasives Gras namens Phragmites australis seit Jahrzehnten aggressiv die einheimischen Marschgräser. Forscher machten sich daran zu verstehen, wie diese Übernahme die unsichtbare Welt der Bodenmikroben verändert, wobei sie speziell untersuchten, wie die Invasion den Abbau organischer Materie und die Produktion von Methan verändert. Sie konzentrierten sich auf drei Schlüsselfaktoren: die Art der wachsenden Pflanze, wie tief sie in den Boden gruben und wie lange das invasive Gras dort bereits lebt. Durch den Vergleich von Marschgebieten, die schon lange von der Invasion betroffen waren, solchen, die erst kürzlich besiedelt wurden, und Gebieten, die noch immer von einheimischen Gräsern dominiert werden, konnte das Team beobachten, wie sich die unterirdische mikrobielle Welt über Zeit und Raum verschiebt.

Die Wissenschaftler entnahmen Bodenkerne aus diesen Marschgebieten und schichteten sie in Ebenen auf, um den Oberboden, die mittlere Schicht und den tieferen Boden bis zu einer Tiefe von fünfzig Zentimetern zu untersuchen. Sie maßen die Aktivität von Enzymen, welche die Werkzeuge der Mikroben sind, um komplexe Pflanzenmaterialien zu „zerkauen“, und zählten die Gene spezifischer mikrobieller Gruppen, die für den Abbau von Kohlenstoff und Stickstoff verantwortlich sind. Sie identifizierten zudem die verschiedenen Arten von Methan-produzierenden Mikroben, bekannt als Methanogene, um zu sehen, welche vorhanden sind. Die Ergebnisse zeigten, dass das invasive Gras die mikrobielle Landschaft grundlegend veränderte, wobei die Art der Veränderung davon abhing, wie lange die Invasion bereits andauerte und wie tief der Boden war.

In den Böden, die von dem invasiven Phragates dominiert wurden, zeigten die Mikroben eine reduzierte Fähigkeit, einfachen, leicht verdaulichen Kohlenstoff abzubauen. Dies wurde durch einen Rückgang der Aktivität eines Enzyms namens Beta-Glucosidase gemessen, das für die Verdauung frischer Pflanzenzucker verantwortlich ist. Dieser Effekt war in den tieferen Bodenschichten und in Marschgebieten, die erst kürzlich besiedelt worden waren, am ausgeprägtesten. Die Forscher vermuten, dass das invasive Gras eine andere Qualität an Nahrung für die Mikroben liefert, vielleicht eine, die schwerer verdaulich ist oder die Chemie des Bodens so verändert, dass der Abbau von frischem Kohlenstoff verlangsamt wird. Interessanterweise änderte sich die Fähigkeit, härtere, komplexere Materialien wie Lignin abzubauen, nicht in einem konsistenten Muster, was darauf hindeutet, dass die Invasion nicht einfach die gesamte mikrobielle Arbeit stoppt, sondern vielmehr die Art der Arbeit verschiebt, die die Mikroben verrichten.

Die Geschichte der Methanproduktion erzählte eine andere Geschichte. Das invasive Gras war mit einer höheren Abundanz von Methan-produzierenden Mikroben assoziiert, insbesondere in den tieferen Bodenschichten. Während die Böden der einheimischen Marschgebiete eine recht gleichmäßige Verteilung dieser Mikroben von oben nach unten zeigten, stieg die Zahl dieser Mikroben unter dem invasiven Gras signifikant an, während die Forscher tiefer gruben. Dies deutet darauf hin, dass die ausgedehnten Wurzelsysteme des invasiven Grases Kohlenstoffsubstrate in den tiefen Boden liefern und so eine größere Population von Methanproduzenten weit unter der Oberfläche nähren. Die Gemeinschaft dieser Methanproduzenten änderte sich jedoch im Laufe der Zeit. In Marschgebieten, die schon lange von der Invasion betroffen waren, waren die dominanten Mikroben diejenigen, die Methan unter Verwendung von Wasserstoff produzieren. Im Gegensatz dazu war in Marschgebieten, die erst kürzlich besiedelt worden waren, die dominante Gruppe eine andere Art, die Methan aus Acetat – einer einfachen organischen Säure – produziert. Diese Verschiebung impliziert, dass sich das chemische Milieu des Bodens mit fortschreitender Invasion entwickelt und unterschiedliche mikrobielle Strategien zur Gaserzeugung begünstigt.

Die Invasion veränderte auch die Mikroben, die am Stickstoffkreislauf beteiligt sind, insbesondere jene, die Stickstoff aus dem Boden entfernen. In den kürzlich besiedelten Marschgebieten enthielten die Böden der einheimischen Gräser signifikant höhere Zahlen von Mikroben, die Gene für die Denitrifikation tragen, also den Prozess, der Stickstoffverbindungen in Gase umwandelt. Die Böden des invasiven Grases hatten weniger dieser Mikroben. Doch in den Marschgebieten, die seit Jahrzehnten von der Invasion betroffen waren, verschwand dieser Unterschied weitgehend, sodass sowohl die einheimischen als auch die invasiven Standorte ähnliche Mengen an diesen stickstoffverarbeitenden Mikroben aufwiesen. Dies deutet darauf hin, dass der anfängliche Schock der Invasion den Stickstoffkreislauf stört, sich die mikrobielle Gemeinschaft aber im Laufe der Zeit anpasst und stabilisiert, selbst wenn die Pflanzenbedeckung unterschiedlich bleibt.

Diese Erkenntnisse verdeutlichen, dass die Auswirkung einer invasiven Pflanze kein Einzelereignis ist, sondern ein Prozess, der sich über Jahre entfaltet und tief in den Boden reicht. Das invasive Gras verändert nicht nur das, was oben wächst; es strukturiert den mikrobiellen Maschinenraum darunter um und verändert, wie Kohlenstoff abgebaut, wie Methan produziert und wie Stickstoff kreislaufgeführt wird. Die Bodentiefe und die Dauer der Invasion sind entscheidende Faktoren, die das Ergebnis bestimmen. Durch das Verständnis dieser unterirdischen Verschiebungen können Wissenschaftler besser vorhersagen, wie Küstenfeuchtgebiete auf zukünftige Invasionen reagieren werden und wie diese Veränderungen den globalen Klimawandel beeinflussen könnten. Die Studie bestätigt, dass die Geschichte einer Invasion und die vertikale Struktur des Bodens wesentliche Puzzleteile sind, um die langfristigen Folgen von Pflanzeninvasionen auf Küstenökosysteme zu verstehen.