Regenwürmer und ihre Rolle beim Ausstoß von Treibhausgasen
Abbildung 1: Die drei Hauptgruppen der Regenwürmer, epigäisch, anektisch und endogäisch (A). 3D-Röntgenaufnahme des Regenwurmröhren-systems der endogäischen Art Grauwurm (Aporrectodea icterica) und der anektischen Art Riesenrotwurm (Lumbricus terrestris) (B).
Abbildung 2: Organische Substanz passiert den Verdauungstrakt des Regenwurms, wird in kleinere Stücke gebrochen, verdaut und die Überbleibsel werden als Kot ausgeschieden. Der Kot ernährt Bakterien. Diese gibt es auch im Verdauungstrakt der Regenwürmer. Bakterien brauchen die richtige Mischung aus organischer Substanz, Wasser und Luft um aktiv zu werden.
Abbildung 3: (A) Eine Versuchskammer kann verwendet werden um Treibhausgas-Emissionen in natürlicher Umwelt zu messen. Gase, die von Bakterien produziert werden, sammeln sich in der versiegelten Kammer und werden dann mit einer Spritze durch den Latexstöpsel gesammelt um den Gehalt an Kohlendioxid (CO2) und Distickstoffoxid (NO2) zu messen. (B) Beispiel für eine Kammer auf der Boden-oberfläche eines Versuchstopfes mit Regenwürmern und Pflanzen. Credits: Pierre Ganault.
Open PDF in new window.
Pierre Ganault1*, Sacha Delmotte 2, Agnès Duhamet 2, Gaëlle Lextrait 2, Yvan Capowiez3
1 CEFE, Univ. Montpellier, CNRS, EPHE, IRD, Univ. Paul-Valéry Montpellier, Montpellier, Frankreich
2 Université de Montpellier, Montpellier, Frankreich
3 INRAE, UMR 1114 EMMAH, INRAE/Université d’Avignon, 84914 Avignon, Frankreich
Die Masse aller Regenwürmer auf unserem Planeten ist größer als die Masse aller anderen Landtierarten. Es gibt über 7.000 Regenwurmarten und sie sind in viele Prozesse involviert, die den Boden gesund halten und Pflanzen beim Wachstum helfen, was sie zu überaus wichtigen Studienobjekten macht. Regenwurmaktivität stimuliert auch das Bakterienwachstum, im Boden und im Regenwurmdarm. Einige Studien haben nahegelegt, dass diese Bakterien den Ausstoß von Treibhausgasen erhöhen könnten, insbesondere von Kohlendioxid und Lachgas, die zur Erderwärmung beitragen. Sind Regenwürmer also insgesamt gut oder schlecht für die Umwelt? Dieser Artikel beschreibt die Experimente, die dazu dienen, die Verbindung zwischen Regenwürmern und der Produktion der Treibhausgase zu untersuchen, aber auch deren Einschränkungen. Die Einwirkung der Regenwürmer auf Bodenprozesse ist sehr komplex und deshalb wissenschaftlich herausfordernd, wichtig und spannend.
REGENWÜRMER ALS INGENIEURE IM UNTERGRUND
Direkt unter unseren Füßen leben tausende von Tieren im Boden, so auch die berühmten Regenwürmer. Der Begriff „Regenwürmer“ bezieht sich aber auf sehr viele Arten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben rund 7.000 Regenwurmarten weltweit beschrieben, jedoch sind manche Regionen noch wenig untersucht und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen davon aus, dass es sogar mehr als 30.000 Regenwurmarten gibt, die noch beschrieben werden müssen [1]. Regenwürmer gehören zu den Wirbellosen, besitzen also keine Knochen. Anders als Insekten, haben sie auch kein Außenskelett und keine Augen, dafür aber sehr starke Muskeln. Regenwürmer können sich durch den Boden bewegen und ihn sogar fressen, mit Laub darin. Obwohl die meisten Regenwurmarten sehr ähnlich aussehen, haben sie verschiedenste Lebensstile, wonach man sie in drei ökologische Gruppen einteilt (Abbildung 1A) [2].
Die erste Gruppe, epigäisch genannt, sind kleine Regenwürmer (3-10 cm) mit roter Farbe, die in der Kompostierung Anwendung finden. Epigäische Regenwürmer leben im Laub. Ihre Farbe beschützt sie vor UV-Strahlung und tarnt sie vor Fressfeinden. Ohne direkt im Boden zu graben, essen sie abgestorbene Blätter und bauen diese als kleine Stücke organischer Substanz in ihren Kot ein, die Regenwurmhäufchen. Endogäische Regenwürmer sind länger (5-15cm) und komplett unpigmentiert. Sie leben ausschließlich im Boden und erschaffen unzählige Röhren (Abbildung 1B). In einem Topfexperiment haben 4 endogäische Regenwürmer in nur 6 Wochen Röhren mit einer Gesamtlänge von 2,2 km und 3,5 mm Breite pro Kubikmeter in den Boden gegraben [3]! Wenn sie graben, fressen sie auch viele sehr kleine Stückchen abgestorbener Blätter aus dem Boden und vermischen den Boden so mit der organischen Substanz (Abbildung 2). Die dritte Gruppe sind die anektischen (oder anözische) Regenwürmer. Sie sind die größten und können bis zu 1 m lang werden! Sie graben tiefe vertikale Röhren, die über 1 m in die Tiefe gehen können. In der Nacht stecken sie ihre Köpfe aus der Erde um Laub auf dem Boden zu finden und in tiefere Bodenschichten zu bringen. Da nur ihre Köpfe aus dem Boden schauen, sind auch nur ihre Köpfe pigmentiert. Tote Blätter zu essen oder zu vergraben und sich durch den Boden zu bewegen sind die zwei Hauptaufgaben der Regenwürmer. Das ist gut für den Boden, für die anderen Bodenlebewesen und das ganze Ökosystem, welches den Regenwürmern den Namen „Ökosystemingenieure“ gab.
WIE REGENWÜRMER DEN BODEN UND BAKTERIEN VERÄNDERN
Regenwurmröhren verändern tiefgehend die Bodenstruktur, indem sie große Hohlräume im ansonsten kompakten Boden bilden. Diese Hohlräume sind Lebensräume für viele Organismen wie kleine Wirbellose, Bakterien und Pflanzenwurzeln. Sie dienen auch als Röhren, die den Sauerstoff- und Wasserfluss zwischen der Oberfläche und tieferen Bodenschichten erhöhen. Regenwürmer verschiedener ökologischer Gruppen bauen Röhren, die die Wasser- und Gasflüsse unterschiedlich beeinflussen. Im Experiment von Capowiez et al. [3], umgesetzt in einer Kunststoffröhre (16 cm Durchmesser, 30 cm Höhe, Abbildung 1B), ermöglichten die Röhren der endogäischen Regenwürmer eine Wassereindringungsrate von 5,2 Litern pro Minute und die der anektischen Regenwürmer eine Rate von 12,4 Litern pro Minute, da sie größer, miteinander verbunden und vertikal sind.
In Ökosystemen mit vielen Regenwürmern verschwindet Laub recht schnell und sammelt sich nicht auf dem Boden an. Epigäische Regenwürmer transportieren das Laub in kleinen Stücken in ihrem Körper und anektische Regenwürmer vergraben Laub in tieferen Bodenschichten. Endogäische Regenwürmer essen kleine Laub- oder Wurzelstücke zusammen mit Erde und scheiden sie hinter sich gleich wieder aus. Dadurch verteilen die Regenwürmer organische Substanz im Boden und darauf. Anstatt sich nur auf der Bodenoberfläche anzusammeln ist die organische Substanz so für Pflanzenwurzeln und andere Bodenbewohner leichter zugänglich.
Diese durch Regenwürmer hervorgerufenen Änderungen im Boden beeinflussen auch andere wichtige Bodenorganismen. Bakterien zum Beispiel brauchen die richtige Mischung aus Nahrung, Wasser und Luft zum Leben. Sie wandeln die kleinen Stücke organischer Substanz in noch kleinere Stücke um, indem sie diese in Kohlenstoff und Stickstoff aufbrechen. Diese Partikel sind so klein, dass Pflanzen sie leicht aufnehmen und zum Wachsen nutzen können. Um ihre eigene Nahrung zu zerkleinern, nutzen Bakterien Sauerstoff (sie atmen ohne Lungen zu besitzen) und stellen Kohlendioxid als Abfallprodukt her. Wenn zu viel Wasser in der Nähe ist, so wie bei einer Überschwemmung oder in Reisfeldern, produzieren die Bakterien stattdessen Lachgas als Abfallprodukt. Kohlendioxid und Lachgas sind Treibhausgase, die die Temperatur unserer Atmosphäre erhöhen und so zum Klimawandel beitragen.
In manchen Böden sind Bakterien weniger aktiv, wenn organische Substanz, Luft oder Wasser fehlen. Regenwürmer können Bakterien wieder „aufwecken“, indem sie organische Substanz, Wasser oder Luft besser verfügbar machen. Dieser Effekt ist noch stärker, wenn die Bakterien im Darm der Regenwürmer selbst leben (Abbildung 2). Dort sind die organische Substanz und Erde perfekt vermischt in einer wassergesättigten Umgebung. Dies ist der Himmel für Lachgas produzierende Bakterien [4]. Dass Regenwürmer die Bakterien stimulieren, die Kohlendioxid und Lachgas produzieren, stellte uns die Frage, ob Regenwürmer nun den Ausstoß von Treibhausgasen erhöhen oder verringern.
UNTERSUCHUNG DES EINFLUSSES VON REGEN-WÜRMERN AUF DEN AUSSTOß VON TREIBHAUSGASEN
Um zu untersuchen, welchen Einfluss Regenwürmer auf Bakterien und deren produzierte Treibhausgase haben, können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler experimentieren. In einer Art Laborexperiment füllen sie dazu Töpfe mit gesiebter Erde. Die Erde wird gesiebt, um keine Steine, Tiere und Wurzeln darin zu haben. Dann werden Regenwürmer dazugegeben, üblicherweise ein paar Individuen der gleichen Art und idealerweise in einer Anzahl, die man auch in der Natur finden würde. Einige der Töpfe erhalten zum späteren Vergleich keine Regenwürmer. Dann werden Treibhausgasemissionen an der Bodenoberfläche gemessen und die Bakterien in den Töpfen untersucht, um herauszufinden, ob die Treibhausgase höher sind mit den Regenwürmern oder ohne sie.
Eine andere Methode, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen, ist es, die Treibhausgase direkt in der Natur zu messen. Hierfür werden zylindrische Kammern in den Boden gestemmt um Gase wie Kohlendioxid und Lachgas einzufangen (Abbildung 3). Die Regenwürmer in der Erde werden dazu auch untersucht, damit die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Treibhausgase mit der Häufigkeit vorhandener Regenwürmer und der Anzahl der Regenwurmarten im Boden in Verbindung bringen können. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können dabei auch andere Bodeneigenschaften messen, die für die Bakterienaktivität wichtig sind, beispielsweise den Wassergehalt, die Verfügbarkeit der organischen Substanz oder den pH-Wert.
EXPERIMENTE HABEN GRENZEN
Es scheint ein echtes Dilemma zu sein: Regenwürmer verbessern die Bodengesundheit, aber gleichzeitig scheinen sie den Ausstoß von Treibhausgasen zu erhöhen! Bevor wir diese Schlussfolgerung ziehen, ist es jedoch wichtig zu erwähnen, dass die Experimente, die wir beschrieben haben, alle eine Kehrseite haben, die es schwierig macht mit absoluter Sicherheit zu sagen, dass Regenwürmer eine Rolle für Treibhausgase spielen. Das Zusammenspiel von Regenwürmern, Bakterien, Boden, Pflanzen und Wasser, in dem Treibhausgase entstehen, ist sehr komplex. Es ist ungeheuer schwierig diese natürlichen Faktoren in einem Experiment akkurat nachzubilden.
Der erste limitierende Faktor für unser volles Verständnis der Rolle der Regenwürmer bei der Bildung von Treibhausgasen ist die große Vielfalt an Bodeneigenschaften, wie zum Beispiel der Sandgehalt. Die meisten Regenwürmer bevorzugen Boden mit niedrigem Sandgehalt, weil Sandböden schneller austrocknen und Sandpartikel auf ihrer Haut reiben können. Der pH-Wert eines Bodens kann Regenwürmer ebenfalls stark beeinflussen und viele könnten in Böden mit pH-Werten unter 4,5 nicht überleben. Es wäre überaus aufwändig, tausende Töpfe mit den verschiedensten Bodentypen, die es in der Natur gibt, für ein Experiment zu befüllen. Demnach ist unser Wissen derzeit begrenzt auf einige sehr verbreitete Bodentypen.
Eine zweite Einschränkung ist, dass sehr wenige Studien Pflanzen in die Experimente mit einschließen. Pflanzen nehmen Wasser und Nährstoffe durch ihre Wurzeln auf und verringern damit die Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit für Regenwürmer und Bakterien. Allerdings helfen Pflanzen und Bakterien einander auch. Pflanzenwurzeln stellen Zucker her und geben diese in den Boden in ihrer Nähe ab, wo er von Bakterien gegen Mineralstoffe, die diese im Tausch dafür anbieten, aufgenommen wird. Unglücklicherweise ist es wirklich schwierig, ein Experiment anzusetzen, das all die positiven und negativen Wechselwirkungen testen könnte, die im Boden gleichzeitig ablaufen.
Die dritte Einschränkung ist, dass in den meisten Studien der Bodenwassergehalt konstant gehalten wurde. Dies wird im Allgemeinen unternommen, um eine gleichmäßige Regenwurmaktivität zu erhalten. In der Natur trocknen Böden ständig aus und werden durch Regen wieder befeuchtet. Regenwürmer können vollständig inaktiv werden, wenn der Boden zu trocken wird. Dies bedeutet, dass Experimente, in denen der Boden einen konstanten Wassergehalt haben, den negativen Effekt der Regenwürmer auf Treibhausgasemissionen überschätzen könnte. In einem Laborexperiment, in welchem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler natürliche Austrocknungs- und Wiederbefeuchtungszyklen genutzt haben, verringerte die Anwesenheit von Regenwürmern tatsächlich den Ausstoß von Lachgas [6]. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erklärten, dass Regenwurmröhren den Wasserfluss in tiefere Bodenschichten erhöhen und den Boden belüften, was den Boden schneller trocknen lässt und damit die bakterielle Aktivität verringert. Die Auswirkungen der Austrocknungs- und Wiederbefeuchtungszyklen zu untersuchen ist sehr wichtig, besonders da man erwartet, dass diese Kreisläufe mit fortlaufendem Klimawandel immer häufiger und extremer werden.
KLIMAWANDEL – SCHULD SIND NICHT DIE REGENWÜRMER
Wir haben dir nun gezeigt, wie komplex es, ist den Ausstoß von Treibhausgasen aus dem Boden zu erforschen. Regenwürmer verändern die Verteilung organischer Substanz und die Verfügbarkeit von Wasser und Luft im Boden. Das alles wiederum verändert die Aktivität der Bodenbakterien. Jedoch hängen Bodenbakterien auch ab von Bodeneigenschaften, von Austrocknungs- und Wiederbefeuchtungszyklen und von den Pflanzen, die dort wachsen. Wir sind weit entfernt davon genügend Untersuchungen mit realistischen Experimenten zu haben um die wahre Rolle der Regenwürmer bei Treibhausgasen zu verstehen. Auch menschliche Aktivitäten und Landwirtschaft erzeugen hohe Mengen Treibhausgase und wir müssen weiter in ganz neuen Wegen denken um die Gesundheit unseres Planeten mit all seinen lebendigen Kreaturen zu verbessern.
GLOSSAR
ÖKOLOGISCHE GRUPPE
Regenwürmer unterscheiden sich, je nachdem, wo sie im Boden leben, was sie fressen und welche Farbe ihre Haut hat. Es gibt drei Hauptgruppen: epigäische (ausgesprochen „eh-pi-gä-isch“), endogäische (ausgepsrochen „en-do-gä-isch“) und anektische Regenwürmer (ausgesprochen „an-ek-tisch“).
ORGANISCHE SUBSTANZ
Sie besteht aus organischen Bestandteilen, die aus den Resten von Lebewesen stammen, wie Pflanzen, Tieren und ihren Abfallprodukten in der Umwelt.
„ÖKOSYSTEMINGENIEURE“
Das sind Lebewesen, die die Verfügbarkeit von Ressourcen für andere Lebewesen erhöhen. Termiten, Ameisen und Regenwürmer sind die größten Ökosystemdienstleister.
SAUERSTOFF
Dieses Gas macht 21% unserer Atemluft aus. Pflanzen stellen Sauerstoff aus Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht her, während Tiere Sauerstoff nutzen und Kohlendioxid erzeugen.
LACHGAS
Dieses farblose Gas besteht aus zwei Atomen Stickstoff und einem Atom Sauerstoff. Es kommt in geringen Konzentrationen vor, aber ein Molekül Lachgas erwärmt die Atmosphäre genauso wie 270 Moleküle Kohlendioxid.
TREIBHAUSGASE
Diese Gase nehmen Sonnenenergie auf und geben sie wieder ab, womit sie den Treibhauseffekt verursachen, z.B. die Erwärmung der Atmosphäre.
pH-WERT
In der Chemie ist der pH-Wert eine Skala, die benutzt wird um den Säure- oder Basengehalt von wässrigen Lösungen zu bestimmen. Saure Lösungen haben einen niedrigeren pH-Wert als basische oder alkalische Lösungen.
DANKSAGUNG
Die Autor:innen danken den jungen Gutachtern für die Überarbeitung des Manuskriptes. Sie danken dem TEBIS Konsortium und den verschiedenen NGO, wie CARABES (https://assocarabes.com), mit denen die Autoren zusammenarbeiten um das Bewusstsein für diese Themen in der Bevölkerung zu stärken und sie zum Schutz der Böden und ihrer Biodiversität zu ermutigen. Die Autoren danken auch Morgane Arietta Ganault (www.lesbullesdemo.fr) für die Qualität der detaillierten Zeichnungen.
REFERENZEN
- Orgiazzi A, Bardgett R D, Barrios E, Behan-Pelletier V, Briones MJI, Chotte JL, De Beyn GB, Eggleton P, Fierer N, Fraser T, et al. Global soil diversity atlas. European Union. Luxembourg (2016). esdac.jrc.ec.europa.eu/public_path/JRC_global_soilbio_atlas_online.pdf
- Bottinelli N, Hedde M, Jouquet P, Capowiez Y. An explicit definition of earthworm ecological categories – Marcel Bouché’s triangle revisited. Geoderma (2020) 372:114361. doi:10.1016/j.geoderma.2020.114361
- Capowiez Y, Bottinelli N, Sammartino S, Michel E, Jouquet P. Morphological and functional characterisation of the burrow systems of six earthworm species (Lumbricidae). Biology and Fertility of Soils (2015) 51:869–877. doi:10.1007/s00374-015-1036-x
- Drake HL, Horn MA. Earthworms as a transient heaven for terrestrial denitrifying microbes: a review. Engineering in Life Sciences (2006) 6:261–265. doi:10.1002/elsc.200620126
- Lubbers IM, van Groenigen KJ, Fonte SJ, Six J, Brussaard L, van Groenigen JW. Greenhouse-gas emissions from soils increased by earthworms. Nature Clim Change (2013) 3:187–194. doi:10.1038/nclimate1692
- Chen C, Whalen JK, Guo X. Earthworms reduce soil nitrous oxide emissions during drying and rewetting cycles. Soil Biology and Biochemistry (2014) 68:117–124. doi:10.1016/j.soilbio.2013.09.020
BEARBEITET DURCH: Malte Jochum, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany
QUELLE: Ganault P, Delmotte S, Duhamet A, Lextrait G and Capowiez Y (2021) Earthworms and Their Role in Greenhouse Gas Emissions. Front. Young Minds 9:562583. doi: 10.3389/frym.2021.562583
INTERESSENKONFLIKT: Die Autor:innen versichern, dass die Studie ohne kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als möglicher Interessenkonflikt ausgelegt werden könnte.
COPYRIGHT © 2021 Ganault, Delmotte, Duhamet, Lextrait and Capowiez. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution and reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
JUNGE REVIEWERIN
GWEN, Alter: 13
Hallo, mein Name ist Gwen, ich leve in den USA und spiele Klavier und Volleyball. Ich habe gerade die 7. Klasse abgeschlossen und meine Lieblingsfächer sind Naturwissenschaften, Mathe, Kunst und Spanisch. Ich liebe es zu lesen, vor allem Science-Fiction-Romane un – Serien (ich bin auch ein großer Harry Potter-Fan) und ich freue mich sehr, mit Frontiers for Young Minds zu arbeiten!
AUTOR:INNEN
PIERRE GANAULT
Bei jedem Spaziergang in der Natur kann ich nicht anders, als Baumstämme und Steine umzudrehen oder totes Laub zu durchstöbern, um zu sehen, welche wunderbaren Tiere sich dort verstecken. Diese Neugier hat mich dazu gebracht, die biologische Vielfalt des Bodens zu studieren und über die Auswirkungen von Mischungen von Bäumen verschiedener Arten auf wirbellose Bodentiere und die Rolle, die diese Tiere bei Bodenprozessen spielen, zu promovieren. Ich arbeite auch mit Verbänden zusammen, um die Kluft zwischen Wissenschaft und Öffentlichkeit zu überbrücken, damit wir gemeinsam die Lebewesen, die den Boden bewohnen, untersuchen, besser verstehen und schützen können. *pierre.ganault@gmail.com
SACHA DELMOTTE
Meine Leidenschaft für die Natur, den Menschen, die Wissenschaft und die Weitergabe von Wissen hat mich dazu gebracht, 7 Jahre lang Ökologie, Biologie und Geologie zu studieren. Ich bin auch Naturanimateur für ein Publikum zwischen 3 und 18 Jahren, um sie für die Dinge zu sensibilisieren, für die ich mich interessiere.
AGNÈS DUHAMET
Agnés ist Doktorandin in Meeresbiologie. Sie erwarb ihren Bachelor-Abschluss in Biologie an der Universität Avignon und ihren Master-Abschluss in Ökologie und Evolutionsbiologie an der Universität Montpellier. Sie hat eine Leidenschaft für die Natur und möchte ihr Wissen über Naturwissenschaften weitergeben.
GAËLLE LEXTRAIT
Ich habe mich schon immer für Mikroorganismen interessiert, sowohl für pathogene als auch für mutualistische. Ich habe mich für die Interaktionen zwischen kleinen Tieren (Insekten), die Böden bewohnen, und ihren Symbionten entschieden. Derzeit bin ich Doktorandin der Mikrobiologie am CNRS in Gif-sur-Yvette (Universität Paris-Sacaly), wo ich meine Beobachtungen über symbiotische Interaktionen zwischen Wanzen und ihren bakteriellen Symbionten fortsetze.
YVAN CAPOWIEZ
Yvan Capowiez ist leitender Wissenschaftler am französischen Institut für Agronomie (INRAE) in Avignon, Frankreich. Seine Forschung konzentriert sich auf die Ökologie und das Verhalten von Regenwürmern. Er verfügt über umfangreiche Erfahrungen bei der Untersuchung der Art und Weise, wie Regenwürmer im Boden wühlen und wie sich die dabei entstehenden Gänge auf wichtige Bodenfunktionen wie den Wassertransport und das Vergraben von organischem Material auswirken.
ÜBERSETZERIN
SUSANNE HORKA
FINANZIERUNG (ÜBERSETZUNG)
Das Team Translating Soil Biodiversity bedankt sich für die Unterstützung des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG FZT 118, 202548816).
