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Der Reisanbau ist ein wichtiger Punkt bei den Treibhausgasemissionen. Reis, ein Grundnahrungsmittel für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung, wird fast immer in überschwemmten Reisfeldern angebaut und trägt 11 Prozent des gesamten vom Menschen verursachten Methans in die Atmosphäre bei. Das sind jährlich fast 40 Millionen Tonnen Methan.
Die Quelle dieses Methans wird von Bakterien produziert, die in Reisfeldern gedeihen, aber Wissenschaftler haben eine seltsame elektrische Lebensform entdeckt, die die derzeitigen Umweltauswirkungen erheblich reduzieren könnte. Diese Lebensform, die als Kabelbakterien bekannt ist, wurde erstmals im Ozean identifiziert und wächst kürzlich auf Feldern zwischen Reiswurzeln in Asien und den USA. Wissenschaftler finden als nächstes heraus, welche Bedingungen Kabelbakterien begünstigen, was ein entscheidender Faktor für die Reduzierung von Emissionen sein könnte.
Kabelbakterien, die Strom leiten, bremsen die Methanproduktion im Boden. Im Jahr 2020 entdeckten Forscher, dass Kabelbakterien die Methanemissionen in Laborerde, in der Reis angebaut wurde, um 93 Prozent reduzierten. Die Kabelbakterien brachten das Kräftegleichgewicht in der Gemeinschaft der Bodenmikroben durcheinander und die methanproduzierenden Bakterien waren die überwältigenden Verlierer.
Die Methanproduktion ist für Bakterien ineffizient; Wenn es eine Alternative gibt, werden sie sie nutzen.
„Die Methanproduktion ist der letzte Ausweg der mikrobiellen Gemeinschaft. Wenn [Mikroben] nichts anderes tun können, produzieren sie Methan“, sagt der Mikrobiologe Derek Lovley von UMass Amherst.
Kabelbakterien sind lang und dünn, ihre Körper nur eine Zelle breit. Wenn sie unter dem Mikroskop betrachtet werden, leuchten sie wie gespenstisches Haar, das aus Reiswurzeln fließt. Sie kontrollieren Methan, indem sie die Bodenchemie verändern. Kabelbakterien erhöhen die nützlichen Sulfate im Boden und halten dieses Niveau stabil – es ist keine Sulfat-Ergänzung erforderlich. Sie schaden den Methanproduzenten nicht direkt, aber sie schaffen Bedingungen, die sie verdrängen.
Mikroben stehen in starkem Wettbewerb zueinander, und wenn eine Art blüht, sterben andere oft aus. Wenn das Gras auf Ihrem Rasen gesund ist, ist es für Unkraut schwieriger, Fuß zu fassen als auf nacktem Boden – das gleiche gilt für Mikroben. Aus diesem Grund nehmen manche Menschen probiotische Nahrungsergänzungsmittel ein, um ihren Darm gesund zu halten. Wenn Kabelbakterien im Boden gedeihen, ernähren sie in ähnlicher Weise die Bakterien, die Sulfate verbrauchen, und schließen Konkurrenten aus, die sonst Methan produzieren würden.
Als Nebeneffekt sind Kabelbakterien reisfreundlich, weil sie Sulfide aus dem Boden entfernen. Vincent Scholz ist Elektromikrobiologe an der Universität Aarhus in Dänemark, der an beiden oben genannten Studien teilgenommen hat. Während Sulfat ein Pflanzennährstoff ist, sagt Scholz, ist Sulfid ein Pflanzengift und drückt Getreideerträge. Und es ist keine Einbahnstraße:Reispflanzen helfen den Kabelbakterien auch, indem sie gelösten Sauerstoff durch ihre Wurzelstrukturen an die Kabelbakterien weitergeben.
Aber zu wissen, wie Kabelbakterien ihre Magie entfalten, ist nur ein Teil der Lösung. Welche Bedingungen machen ein Reisfeld kabelreif?
Forscher untersuchen Bedingungen, die Kabelbakterien begünstigen. Geht es beispielsweise Kabelbakterien besser, wenn Reisfelder kontinuierlich überschwemmt werden – in den USA gängige Praxis – oder wenn Reisfelder zeitweise entwässert und überflutet werden? Wie viel Sauerstoff brauchen sie?
Die Frage der intermittierenden Überschwemmung von Reisfeldern liegt seit mehreren Jahren auf dem Tisch, nicht nur wegen Kabelbakterien. Abwechselndes Befeuchten und Trocknen reduzierte in einer Studie aus dem Jahr 2018 die Methanemissionen um bis zu 90 Prozent. Eine Studie aus dem Jahr 2020 ergab, dass abwechselndes Befeuchten und Trocknen die Netto-Treibhausgase, nicht nur Methan, um etwa 22 Prozent reduziert. Wenn dieser Vorteil mit einer gesunden Population von Kabelbakterien kombiniert werden könnte, würde dies Reis weitaus klimafreundlicher machen.
Scholz sagt, Wassermanagement sei entscheidend. Kabelbakterien sind wählerisch, wenn es um Sauerstoff geht. Sie sind gestresst, wenn sie im Freien gelassen werden, brauchen aber etwas Sauerstoff, um zu überleben. Der Trick besteht darin, einen guten Mittelweg zu finden, der Kabelbakterien und robuste Reiserträge begünstigt. Eine weitere Untersuchung des Wassermanagements ist wahrscheinlich der nächste Weg für die landwirtschaftliche Forschung zu Kabelbakterien.
Eine neue Studie aus China zeigt, dass Kabelbakterien gedeihen, wenn mehr Sauerstoff im Wasser vorhanden ist. Kabelbakterien in sauerstoffreichem Wasser waren robuster, vermehrten sich schneller und wuchsen tiefer in den Boden. Feldstudien könnten auf diesem vielversprechenden Ergebnis aufbauen, um die Zugabe von Sauerstoff zum Wasser in Reisfeldern zu testen. Wasser kann auf einfache Weise mit Sauerstoff angereichert werden, sodass die Methode nicht teuer sein muss. Alternatives Befeuchten und Trocknen kann auch den Sauerstoffgehalt im Boden erhöhen.
Sobald die Wissenschaftler die idealen Wasser- und Sauerstoffbedingungen ausgearbeitet haben, sollte es wenige technische Herausforderungen geben, Kabelbakterien zu verwenden, um die Methanemissionen im Reisanbau zu reduzieren. Landwirte, deren Reisfelder einheimische Kabelbakterien enthielten, könnten Bedingungen schaffen, die das Wachstum dieser nützlichen Bakterien fördern. Landwirte ohne Kabelbakterien könnten diese während der Feldvorbereitung in den Boden säen.
Scholz, der Kabelbakterien in Deutschland und Dänemark gezüchtet hat, sagt, dass sie „sehr einfach“ zu züchten sind. Sein Kollege Lars Peter Nielsen, der Kabelbakterien entdeckte, fügt hinzu, dass man „einen Kilometer Kabelbakterien in einem Kubikzentimeter züchten kann, und das ist viel.“
Nielsen warnt jedoch davor, die Forschung voranzutreiben. Über Kabelbakterien gibt es noch viel zu lernen. „Und“, sagt Nielsen, „wir sind immer noch schockiert.“
