Man muss nicht in die Tiefsee tauchen oder in Vulkane klettern, um bisher unbekannte Lebewesen zu entdecken. Auch ein gewöhnlicher deutscher Acker steckt noch voller Geheimnisse. Ein Gramm Boden enthält bis zu 100.000 Arten von Mirkoorganismen, darunter Bakterien, Pilze und selbst Archaeen, von denen Experten lange dachten, dass sie nur unter extremen Bedingungen gedeihen. Dazu kommen zum Beispiel noch winzige Fadenwürmer. Die meisten der Mikrobenarten leben hier inkognito. Wer sie sind, wie sie funktionieren und miteinander wechselwirken, weiß niemand so genau.
Forscher auf der ganzen Welt versuchen deshalb seit einigen Jahren, die Geheimnisse des unterirdischen Mikrobenlebens mit molekularbiologischen Methoden zu entschlüsseln. Dabei durchforsten sie Bodenproben gezielt nach Genen, die für Funktionen wie den Stickstoffumsatz oder die Kohlenstoffspeicherung verantwortlich sind.
"Das Thema hat ein Riesenpotenzial", sagt Christoph Tebbe vom bundeseigenen Thünen-Institut in Braunschweig. Die Mikroorganismen im Boden sind maßgeblich dafür verantwortlich, wie gut Pflanzen gedeihen. Mit einem besseren Verständnis der Prozesse im Boden ließen sich künftig wirksame Bakterienmischungen entwickeln, die das Pflanzenwachstum fördern. Das würde helfen, Dünger und Pestizide einzusparen.
Auch die Produktion von klimaschädlichem Methan oder Lachgas in nassen oder gedüngten Feldern ließe sich vielleicht unterdrücken, wenn man die dafür verantwortlichen Mikrobenarten kennt. Mit mehr Wissen über das Leben in der Krume ließen sich die Gemeinschaften der Mikroben womöglich einfach über den Zeitpunkt des Pflügens oder Düngens oder über die Fruchtfolge steuern. Tebbe hält es außerdem für wahrscheinlich, dass bisher unbekannte Bodenorganismen den Weg zu neuen Antibiotika und anderen medizinischen Wirkstoffen weisen könnten.
Konkurrenz um Dünger
Der Weg ist allerdings weit. "Die Bodenmetagenomik ist noch Grundlagenforschung", sagt der Mikrobiologe Michael Schloter vom Helmholtz-Zentrum München. Von ersten Erkenntnissen kann er aber schon berichten. So hat sein Team gemeinsam mit Kollegen europäischer Universitäten herausgefunden, dass Pflanzen und Mikroorganismen in der intensiven Landwirtschaft um die Nährstoffe im Boden konkurrieren.
"Größere Düngermengen bringen deshalb oft nicht den gewünschten Erfolg. Die Mikroorganismen können das erhöhte Nährstoffangebot schneller nutzen und vermehren sich stark. Für die Pflanzen bleibt weniger über, und die Erträge sinken", erklärt er.
Jetzt wollen die Münchner Wissenschaftler außerdem ergründen, welche Rolle die Bodenmikroben bei der Nährstoffaufnahme aus dem tiefen Boden spielen. "Bisher schauen wir uns in der Regel nur die landwirtschaftlich zugänglichen 40 Zentimeter Pflugtiefe an. Doch gerade neue Züchtungen, die auch längere Trockenperioden unbeschadet überstehen sollen, wurzeln deutlich tiefer", sagt Schloter.
Mikroben könnten auch eine wichtige Rolle spielen, ausgelaugte Flächen wieder zu beleben, zum Beispiel die einstigen Prärieböden im mittleren Westen der USA. Dort hatten Siedler das Grasland in Weizenfelder verwandelt. Nach der massiven Dürre der 1930er-Jahre wurde der Ackerbau aber aufgegeben.
Noah Fierer von der University of Colorado und Rebecca McCulley von der University of Kentucky berichteten kürzlich im Wissenschaftsmagazin Science, dass in ursprünglicher Prärieerde ein Bakterium namens Verrucomicrobia die Oberhand hat. In den ausgelaugten Böden fehlt der Organismus praktisch komplett. Jetzt untersuchen die Forscher, unter welchen Bedingungen sich die Bakterienart besonders gut vermehrt.
Für ihre Untersuchungen haben die Mikrobiologen gut 30 Proben aus weitgehend naturbelassenen Prärieböden gesammelt. Das war nicht einfach, denn von ursprünglich mehr als 65 Millionen Hektar Grasland - fast die doppelte Fläche Deutschlands - ist heute nicht einmal ein Hundertstel übrig. Fündig wurden die Forscher in Naturschutzgebieten, auf Privatgrundstücken und Friedhöfen.