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Biologinnen der Universität Bielefeld entwickeln eine neue Methode, um den Einfluss eingeschleppter Pflanzen auf Ökosysteme zu messen

Bio-Invasoren sind eingeschleppte Pflanzen oder Tiere, die sich in einem Ökosystem ausbreiten und es dadurch aus dem Gleichgewicht bringen und seine natürlichen Funktionen stören können. In einem gemeinsamen Projekt mit der Universität Lissabon haben Biologinnen der Universität Bielefeld um die Juniorprofessorin Dr. Christiane Werner eine Methode entwickelt, mit der sie messen können, welchen Einfluss solche Eindringlinge auf das Ökosystem haben, in dem sie sich vermehren. Sie untersuchen, ob heimische Pflanzen in der Nachbarschaft von Bio-Invasoren sich von dem Stickstoff ernähren, den die Eindringlinge einbringen. Dies haben die Biologinnen am Beispiel der aus Australien stammenden Gold-Akazie erforscht, die sich seit einigen Jahren im Mittelmeerraum ausbreitet. Ihr Ergebnis: Der Eindringling stört dortige Ökosysteme nicht nur durch sein übermäßiges Wachstum, sondern auch dadurch, dass er den Boden in seinem Umkreis mit Stickstoff aufdüngt. Ihre Methode stellen die Wissenschaftlerinnen am heutigen Dienstag (13. März) in der renommierten Fachzeitschrift "Ecology Letters" vor.

Die meisten Pflanzen können Stickstoff nur aus dem Boden aufnehmen. Die Gold-Akazie (Acacia longifolia) hingegen ist mit Hilfe von Knöllchenbakterien fähig, Stickstoff aus der Luft zu gewinnen. Die Akazie hat dadurch den Vorteil, dass sie auch auf stickstoffarmen Böden gut wächst - zum Beispiel auf Dünen an der portugiesischen Küste in Troia, deren Pflanzenwelt jetzt von dem Forschungsteam der Universität Bielefeld untersucht wurde. Auf einigen der dortigen Dünen ist die ortsfremde Akazie bereits massiv vorgedrungen. Die Folge: Sie verdrängt andere Pflanzen, indem sie ihnen Nährstoffe und das wenige Regenwasser nimmt. Auch schirmen ihre Blätter und Zweige kleinere Pflanzen vom Sonnenlicht ab. Die Biologinnen Professorin Dr. Christiane Werner und ihr Team - Katherine G. Rascher, Christine Hellmann und Cristina Máguas - wollten nun wissen, ob der schädliche Einfluss der Akazien noch weiter reicht.

Die Akazien geben beträchtliche Mengen des aus der Luft stammenden Stickstoffs an den Boden ab, wenn ihre Blätter verrotten. Eine zentrale Frage, die die Forscherinnen beschäftigte: Wird dieser zusätzliche Stickstoff von einheimischen Pflanzen in der Nachbarschaft verwertet? Das hätte zur Folge, dass die zusätzlichen Nährstoffe das Wachstum einheimischer Pflanzen antreiben. Das klingt zunächst positiv, hat jedoch problematische Folgen für die Artenvielfalt in dem Dünensystem. Denn: „Dünen sind empfindliche Ökosysteme, die auf langsames Wachstum und nachhaltige Ressourcennutzung angewiesen sind“, sagt Christiane Werner. Wachsen die Pflanzen schneller als üblich, dann verbrauchen sie auch mehr Wasser. Der Boden wird trockener und nur robuste Pflanzen wie die eingeschleppte Gold-Akazie können sich noch halten.

Um zu prüfen, ob der „Luft-Stickstoff“ über die Akazie auch an andere Pflanzen gelangt, die sich nur von „Boden-Stickstoff“ ernähren, haben die Forscherinnen eine Besonderheit von Stickstoff genutzt. Das Stickstoff-Atom hat normalerweise sieben Protonen und ebenso viele Neutronen, also insgesamt 14 Kernteilchen. Es gibt aber auch natürlich vorkommende Stickstoff-Atome mit einem zusätzlichen Neutron, also mit insgesamt 15 Kernteilchen, die „schweren“ Stickstoff-Isotope. Ihre Konzentration in der Luft ist höher als im Boden der portugiesischen Dünen. Wenn nun eine Pflanzenart Stickstoff aus der Luft bindet und wenn benachbarte Pflanzen diesen zusätzlichen Stickstoff aufnehmen, dann muss in deren Blättern auch eine höhere Konzentration des schweren Stickstoff-Isotops stecken.

Das Forschungsteam hat nun bewiesen, dass die Strauchpflanze Weiße Krähenbeere (Corema album), die an der portugiesischen Küste heimisch ist, besonders viel von dem Stickstoff aufnimmt, den zuvor die Gold-Akazie aus der Luft gewonnen hat. „Die Wirkung der eingeschleppten Akazie auf diese Strauchpflanzen ist beträchtlich“, sagt Christiane Werner. Ihr Team hatte in einem Dünenabschnitt Blattproben genommen und die dazugehörigen Pflanzen kartographiert. Mit einem Massenspektrometer analysierten die Forscherinnen, wie hoch der Anteil der schweren Stickstoff-Isotope in den Proben ist. Die Ergebnisse wurden mit den Karteneinzeichnungen abgeglichen. „Dabei kam heraus, dass die Akazien den Stickstoffhaushalt und das Wachstum der einheimischen Pflanzen sogar im Umkreis von bis zu acht Metern beeinflussen“, sagt Christiane Werner. "Obwohl die Akazie auf weniger als einem Fünftel der untersuchten Fläche präsent ist, verändert sie knapp zwei Drittel des dortigen Ökosystems."

Die Ergebnisse der Studie sind laut der Biologin wichtig, um zu verstehen, wie Bio-Invasoren wie die australische Gold-Akazie es schaffen, sich in neuen Ökosystemen auszubreiten und einheimische Arten zu verdrängen: In diesem Fall trägt die Aufdüngung ihrer Umgebung zum großen Erfolg der Akazie bei.

"Isoscaping" nennt sich die Methode, die die Biologinnen angewendet haben. Gewöhnlich wird die Methode genutzt, um durch die Ermittlung des Isotopenverhältnisses in einem Stoff – etwa Gestein oder Pflanzenreste – herauszufinden, aus welcher Landschaft (englisch: landscape) dieses Material stammt. Das Bielefelder Forschungsteam hat das Verfahren nun erstmals auf die Ebene einer Pflanzengemeinschaft übertragen. Christiane Werner berichtet, dass sich die neue Methode nicht nur eignet, um den Einfluss von eingeschleppten Pflanzen zu messen. Sie könne in Zukunft zum Beispiel genutzt werden, um die Wirkung von Abwasser aus Fabriken oder Dünger aus der Landwirtschaft auf Ökosysteme zu untersuchen.

Originalveröffentlichung:
Community scale 15N isoscapes: tracing the spatial impact of an exotic N2-fixing invader. Katherine G. Rascher, Christine Hellmann, Cristina Máguas, Christiane Werner. 13. März 2012, Ecology Letters, http://dx.doi.org/10.1111/j.1461-0248.2012.01761.x, Impact Factor 15.2

Weitere Informationen im Internet:
www.uni-bielefeld.de/biologie/Oekosystembiologie/doc/oeko13.html

Kontakt:
Juniorprofessorin Dr. Christiane Werner, Universität Bielefeld
Fakultät für Biologie/ Experimentelle Ökologie und Ökosystembiologie
Telefon: 0521 106-5574
E-Mail: c.werner@uni-bielefeld.de