Erarbeitung einer funktionellen Bewertung der bodenbiologischen Parameter

Böden sind die Grundlage für unsere Ernährung, unsere Wälder und viele natürliche Kreisläufe: Sie versorgen Pflanzen mit Nährstoffen, speichern Wasser und Kohlenstoff, bauen Schadstoffe ab und bilden die Grundlage für die Land- und Forstwirtschaft. Doch intensive Nutzung, Schadstoffe oder der Klimawandel können ihre Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. Häufig geschieht das, ohne dass wir es sofort bemerken. Damit sie diese Funktionen langfristig erfüllen können, müssen Böden gesund und lebendig bleiben. Doch wie erkennt man, wie leistungsfähig ein Boden wirklich ist, vor allem auf biologischer Ebene?

In diesem Projekt entwickeln wir eine neue Methode zur funktionellen Bewertung von Böden: Anstatt einzelne Arten zu zählen oder schwer bestimmbare Mikroorganismen zu identifizieren, erfassen wir mit Hilfe moderner Shotgun-Metagenomik direkt das gesamte Erbgut aus einer Bodenprobe. Dadurch erhalten wir ein umfassendes Bild davon, welche ökologischen Funtionen ein Boden grundsätzlich erfüllen kann. So lässt sich z. B. erkennen, ob ein Boden prinzipiell in der Lage ist, Stickstoffverbindungen umzuwandeln, Schadstoffe abzubauen oder Kohlenstoff effizient zu speichern.

Ein Schwerpunkt liegt auf der Frage, wie sich das funktionelle genetische Potenzial durch gezielte Bodenaufwertungen und Rekultivierungen verändert. Dabei interessieren uns vor allem Prozesse des Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorkreislaufs, aber auch Funktionen wie Nährstoffumsetzungen, Energiemetabolismus und sogar Antibiotikaresistenz. Durch die genetische Analyse dieser Funktionen lässt sich bewerten, ob die vorgenommenen Massnahmen die biologische Leistungsfähigkeit des Bodens verbessern, neutral bleiben oder womöglich sogar negative Effekte haben.

Dazu vergleichen wir den genetischen Funktionsgehalt von rekultivierten Böden mit dem benachbarter Referenzflächen, die als weitgehend ungestört gelten. An beiden Orten entnehmen wir Bodenproben aus welchen wir die gesamte DNS isolieren. Diese enthält nicht nur Informationen über alle im Boden lebenden Organismen, sondern auch über ihre funktionellen Gene. Diese Daten ergeben ein umfassendes genetisches Inventar des Bodens, das wir im Detail analysieren. Mit dieser sogenannten Boden-Metagenomik lassen sich mehrere Millionen Gene gleichzeitig untersuchen, darunter jene, die für die Zersetzung organischer Substanz, die Bildung stabiler Bodenstrukturen, die Energiegewinnung oder den Abbau von Pestiziden zuständig sind. Insgesamt enthält ein typisches Bodenmetagenom schätzungsweise rund 10 Millionen proteinkodierende Gene, was die enorme funktionelle Vielfalt der Mikroorganismen im Boden eindrucksvoll verdeutlicht.

Unser Ziel ist es, diese neue Methode in bestehende Bodenbeobachtungsnetzwerke wie NABO (Nationale Bodenbeobachtung) und KABO (Kantonale Bodenbeobachtung) zu integrieren. Dabei untersuchen wir Böden mit unterschiedlichen Nutzungsformen: etwa Ackerflächen mit biologischer oder konventioneller Bewirtschaftung oder Wiesen mit intensiver und extensiver Nutzung. Langfristig soll die genetische Funktionsanalyse ein fester Bestandteil der Bodendauerbeobachtung werden und als zusätzlicher Indikator für Bodenqualität und ökologische Resilienz dienen.