Die Atmosphäre und die Bodenchemie des Amazonas-Regenwaldes verändern sich durch El Niño bedingte Dürre
Der El Niño von 2023–2024 führte neben Hitzewellen und Bränden zur schwersten Dürre, die jemals im Amazonas-Regenwald verzeichnet wurde. Er hatte zudem weitreichende Auswirkungen auf die Emissionen biogener flüchtiger organischer Verbindungen durch die Vegetation des Amazonas-Regenwaldes und deren Aufnahme in die Böden
Dieser Text basiert auf zwei Pressemitteilungen, die uns vom Max-Planck-Institut für Chemie zur Verfügung gestellt wurden.
Wissenschaftler gehen derzeit von einer hohen Wahrscheinlichkeit aus, dass es Ende dieses Jahres 2026 weltweit zu einem starken El-Niño-Ereignis kommen wird. Dies käme nur drei Jahre nach dem letzten El-Niño-Ereignis, dessen Auswirkungen die Wissenschaftler gerade erst anfangen zu verstehen.
Das letzte El-Niño-Ereignis in den Jahren 2023 und 2024 brachte eine beispiellose Dürre über den Amazonas-Regenwald, was zu historisch niedrigen Wasserständen im Rio Negro in Manaus und weit verbreiteten Waldbränden führte – selbst in Regionen, die normalerweise feucht und feuerresistent sind. Dieses extreme Wetterereignis wurde zudem von mehreren intensiven Hitzewellen begleitet, die die Auswirkungen der Dürre auf das Ökosystem des Regenwaldes noch weiter verschärften. Neue Forschungsergebnisse des Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) beleuchten die Reaktion des Ökosystems auf diese extremen Bedingungen und liefern wertvolle Erkenntnisse über die Widerstandsfähigkeit und Anfälligkeit der Biodiversität des Amazonas.
Freisetzung von Stressabwehrmolekülen
Einerseits hat die Vegetation ihre chemischen Emissionen erheblich verändert, um mit den Umweltbelastungen zurechtzukommen. Forschende, darunter Wissenschaftler*innen der Max-Planck-Institute für Chemie (MPIC) und für Biogeochemie (MPI-BGC) maßen die Freisetzung biogener flüchtiger organischer Verbindungen, sogenannter BVOCs: kohlenstoffbasierter Moleküle, die Pflanzen kontinuierlich an die Luft abgeben. Während die Isopren- und Monoterpenwerte auf die El-Niño-Bedingungen wie Dürre und Hitze kaum reagierten, stiegen die Emissionen von Sesquiterpenen um 122 Prozent an. Sesquiterpene sind reaktive Moleküle in der Luft, die Bäume als Stresssignale und Schutzstoffe produzieren. Ein bekannter Vertreter ist Caryophyllen, eine pfeffrig riechende Verbindung, die in Gewürznelken und schwarzem Pfeffer vorkommt.
Noch überraschender war eine weitere Entdeckung: In der Regenzeit nach der Dürre registrierte das Team unerwartete Emissionen von weniger flüchtigen Sesquiterpenalkoholen. Dies deutet darauf hin, dass der Wald mit diesen Emissionen auf oxidativen Stress reagiert – also auf biochemische Schäden, die Hitze und Wassermangel in den Pflanzenzellen auslösen. Bemerkenswert dabei: Die veränderten Emissionen hielten noch lange an, nachdem die Dürre längst abgeklungen war. „Bei schwerer Dürre verändert sich, was der Wald in die Luft abgibt: Die freigesetzten Verbindungen werden reaktiver und bleiben länger in der Luft", sagt Joseph Byron, Erstautor der Studie am Max-Planck-Institut für Chemie. „Das spiegelt einen grundlegenden Wandel im Stoffwechsel des Waldes wider. Der Regenwald versucht, Folgen des extremen Trockenstresses abzumildern."
Darüber hinaus führen steigende Emissionen von BVOCs zu einem größeren Kohlenstoffverlust aus der Biosphäre in die Atmosphäre, da diese Verbindungen auf Kohlenstoffgerüsten basieren. Insbesondere Sesquiterpene sind kohlenstoffreich und enthalten 15 Kohlenstoffatome pro Molekül.
Unterdrückung der Bodenaufnahme
Andererseits hat sich auch die Aufnahme biogener flüchtiger organischer Verbindungen durch den Boden während der El-Niño-Dürre erheblich verändert. Das Forschungsteam konnte nachweisen, dass Böden in der Regel große Mengen an Isopren, einer der häufigsten Arten von BVOCs, aufnehmen. Während der durch den El Niño von 2023–2024 verursachten Dürre sank die Isopren-Aufnahmekapazität im Vergleich zu normalen Bedingungen um mehr als das Vierfache.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Isoprenaufnahme im Boden unter den extremen klimatischen Bedingungen des El Niño von 2023 plötzlich nicht mehr auf die erhöhten Isoprenkonzentrationen in der Umgebungsluft reagierte, wie sie es normalerweise tun“, erklärte Giovanni Pugliese, Erstautor der Studie und Forscher am Max-Planck-Institut für Chemie. „Diese Beobachtungen stehen im Einklang mit einer physiologischen Einschränkung der isoprenabbauenden Bodenmikroorganismen, wenn die Bodenfeuchte unter 20 Prozent fällt.“
Die Rolle von (zunehmenden) BVOCs in der Atmosphäre
Pflanzen und Böden setzen auf natürliche Weise biogene flüchtige organische Verbindungen (BVOCs) frei. Diese spielen eine entscheidende Rolle bei den atmosphärischen Prozessen und ökologischen Funktionen der Erde. In der Atmosphäre beeinflussen BVOCs maßgeblich die Bildung sekundärer organischer Aerosole (SOAs), wirken sich auf die Wolkenbildung aus und verändern durch Reaktionen mit atmosphärischen Oxidationsmitteln die Oxidationskapazität der Luft. Der Amazonas-Regenwald ist der größte Tropenwald der Welt und somit eine wichtige globale Quelle für BVOCs.
Projektleiter beider Studien, Jonathan Williams, fasst zusammen: „Überraschend war zu beobachten, dass das Amazonas-Ökosystem auf kurzfristige Dürre- und Hitzeextreme mit erhöhten Isoprenkonzentrationen in der Atmosphäre durch vermehrte Emissionen aus den Baumkronen reagiert und gleichzeitig der Boden als Isopren-Senke geschwächt wird.“ Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der allgemeinen Wissenschaftsannahme, dass Isoprenemissionen als Abwehrmechanismus der Pflanzen gegen thermischen Stress und oxidative Schäden dienen.
Das Verständnis dieser chemischen Reaktionen ist von großer Bedeutung, da Prognosen zufolge der Klimawandel dazu führen wird, dass El-Niño-Ereignisse an Intensität zunehmen und länger anhalten. BVOCs beeinflussen die lokale und regionale Luftqualität, Wetterverläufe und sogar das globale Klimasystem. Der Wandel hin zu reaktiveren Verbindungen könnte erhebliche Auswirkungen auf die Atmosphärenchemie und die allgemeine Widerstandsfähigkeit des Amazonas-Regenwaldes haben. Das Verständnis der Dynamik der BVOC-Emissionen im Amazonasgebiet ist unerlässlich, um Klimarückkopplungen genau zu modellieren und die Rolle des Waldes in der sich wandelnden Atmosphäre der Erde zu bewerten.
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