Luftdruck-Effekte auf höher wandernde alpine Ökosysteme

Der Klimawandel verändert für viele Organismen die maximal tolerierbare Seehöhe und führt sehr häufig zu einer Verschiebung des Vorkommens montaner Lebewesen nach oben. Organismen, die nach oben wandern, um ihrer thermischen Nische zu folgen, erfahren somit keine Temperaturänderung, sehr wohl aber einen verringerten Luftdruck. Dies beeinflusst biologisch relevante physikalische Parameter wie Dampfdruckdefizit, CO2-Partialdruck und Gasdiffusion, die an grundlegenden ökophysiologischen Prozessen wie Evapotranspiration, Photosynthese oder Atmung beteiligt sind. Diese Parameter haben sowohl direkte Auswirkungen auf Arten, es sind aber auch indirekte Auswirkungen möglich, die durch Veränderungen in der Art und Weise, wie Arten miteinander interagieren, verursacht werden. Die Auswirkungen eines reduzierten atmosphärischen Drucks auf nach oben wandernde Pflanzen und Bodenmikroorganismen und deren neuartige Assoziationen sind weitgehend unbekannt, sodass dieses bislang unbeachtete Umweltproblem dringend untersucht werden muss. UPSHIFT wird diese Wissenslücke schließen, indem es neuartige experimentelle Ansätze anwendet, um die Auswirkungen des Luftdrucks auf die Ökophysiologie der und die Interaktionen zwischen Organismen zu untersuchen. Unsere Hauptziele sind - (i)zu verstehen, wie nach oben wandernde Bodenmikroorganismen und Pflanzenarten auf niedrigeren Luftdruck reagieren, (ii) zu beurteilen, wie nach oben wandernde Bodenmikroorganismen und Pflanzen mit am Standort verharrenden Pflanzen und Bodenmikroorganismen interagieren und (iii)die Auswirkung eines niedrigeren Luftdrucks auf den Wasserhaushalt des Ökosystems zu bewerten. Wir werden verschiedene ökophysiologische, chemische und mikrobielle Indikatoren messen, um Einblicke in grundlegende Prozesse wie Wassernutzung, Photosynthese und Wachstum zu gewinnen. Unser Ansatz integriert eine kontrollierte Inkubationsanlage der nächsten Generation (terraXcube, Bozen), um verschiedene alpine Klimabedingungen zu simulieren und mit Topf- und Mesokosmos (Lysimeter)-Experimenten die Effekte von Temperatur und Luftdruck getrennt untersuchen zu können. Final werden Freilandexperimente durchgeführt, um die Zuverlässigkeit der erzielten Ergebnisse zu evaluieren. Das Projekt UPSHIFT ist der erste uns bekannte Versuch, vor dem Hintergrund des Klimawandels die Auswirkungen des Luftdrucks auf Organismen und Organismengemeinschaften zu erfassen. Dies ist wegen der aufwärts wandernden Organismen und der tiefgreifenden Folgen für die Funktionsweise alpiner Ökosysteme von grundlegender Bedeutung. UPSHIFT basiert auf einer transnationalen Kooperation des Instituts für Mikrobiologie der Universität Innsbruck, (Paul Illmer) und des Institute for Alpine Environment an der Eurac Research, Bozen (Matteo Dainese).

Der Klimawandel verändert für viele Organismen die maximal tolerierbare Seehöhe und führt sehr häufig zu einer Verschiebung des Vorkommens montaner Lebewesen nach oben. Organismen, die nach oben wandern, um ihrer thermischen Nische zu folgen, erfahren somit keine Tempera-turänderung, sehr wohl aber einen verringerten Luftdruck. Dies beeinflusst biologisch relevante physikalische Parameter wie Dampfdruckdefizit, CO2-Partialdruck und Gasdiffusion. Die direkten Auswirkungen eines reduzierten atmosphärischen Drucks bzw. die indirekten Effekte der oben genannten Faktoren auf nach oben wandernde Pflanzen und Bodenmikroorganismen sind dennoch vollkommen unbekannt und wurden im Projekt UPSHIFT untersucht. Neben den Auswirkungen auf einzelne Arten und Organismen wurden insbesondere auch die Effekte eines reduzierten Luftdrucks auf die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Organismen untersucht, wie sie beispielsweise in der Rhizosphäre - dem unmittelbaren Wurzelraum von Pflanzen - stattfinden. Um diese Fragen klären zu können, wurden sowohl Freiland- (an einem LTSER-Standort im Matschertal/Südtirol auf 1500 m Seehöhe) und Laboruntersuchungen durchgeführt. Es wurden aber v.a. auch in neuartigen Klima-/Druck-Kammern (TerraXCube) die Auswirkungen veränderten Luftdrucks (entsprechend den Seehöhen von 250 bis 4000 m Seehöhe) auf Pflanzen (Trifolium sp., Hieracium sp., Brachypodium sp., also Klee, Habichtskraut und Zwenken) und Mikroorganismen in der Rhizosphäre untersucht. Alle anderen abiotischen Bedingungen wie Feuchtigkeit, Temperatur Dampfdruckdefizit etc. konnten in den Kammern des terraXcube konstant gehalten werden. Es zeigte sich ein signifikanter und artspezifischer Einfluss des verringerten Drucks auf pflanzliche und mikrobielle Wachstums- und Aktivitäts-Parameter. So stieg z.B. die Aktivität und die Menge an mikrobieller Biomasse in der Wurzelzone von Trifolium sp. mit abnehmendem Druck (zunehmender Höhe) signifikant an, wohingegen bei Hieracium sp. eine signifikante Abnahme festgestellt wurde. Diese Ergebnisse konnten auch (wieder artspezifisch) mit verschiedenen bakteriellen und pilzlichen Reinkulturen verifiziert werden. Damit gelang erstmals der eindeutige Nachweis direkter Effekte eines reduzierten atmosphärischen Drucks auf Bodenmikroorganismen - ein Ergebnis, das bisherigen Lehrmeinungen widerspricht. Ein reduzierter Luftdruck beeinflusste aber nicht nur die Abundanz und Aktivität von Bodenmikroorganismen, sondern auch hochsignifikant die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und wie schnell und erfolgreich die Besiedelung neuer Boden-Habitate durch Mikroorganismen erfolgt. Vor dem Hintergrund des Klimawandels kommt diesen Erkenntnissen besondere Bedeutung zu. Insbesondere in alpinen Regionen steigen die Bodentemperaturen deutlich an, wodurch Pflanzen und Tiere - und vermutlich auch Mikroorganismen - zunehmend in höhere Lagen ausweichen. Die im Projekt gewonnenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass dadurch neue Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Bodenmikroorganismen in der Rhizosphäre entstehen können, die langfristig die Funktionsweise und Biodiversität von Gebirgsökosystemen beeinflussen.