Moore sind gewaltige Kohlenstoffspeicher. Der Chemiker Felix Panis hat jetzt erstmals nachgewiesen, wie bestimmte Enzyme diesen Vorrat bedrohen. In seiner Grundlagenforschung testet er, wie diese in den Kohlenstoffkreislauf eingreifen – ein neuer Ansatz für den Erhalt von Feuchtgebieten.
Feuchtgebiete finden sich auf allen Kontinenten: etwa in indonesischen Mangrovenwäldern, kongolesischen Flussdeltalandschaften, sibirischen Permafrost-Mooren oder in österreichischen Salzlaken. Sofern sie nass oder feucht sind, erweisen sich diese Lebensräume als mächtige Verbündete in Zeiten der Klimakrise. Ihre bekanntesten Vertreter, die Moore, bedecken zwischen vier und fünf Prozent der globalen Landfläche und haben seit der letzten Eiszeit mehr CO₂ gespeichert als abgegeben. Der Grund dafür ist, dass in ihnen ein wichtiger Kreislauf unterbrochen wird.
«In Mooren ist aktuell so viel Kohlenstoff gespeichert, wie sich in der gesamten Atmosphäre als CO₂ befindet.» Felix Panis, Chemiker
«In Mooren ist aktuell so viel Kohlenstoff gespeichert, wie sich in der gesamten Atmosphäre als CO₂ befindet», ordnet der Chemiker Felix Panis ein. Der Wissenschaftler erforscht an der Universität Wien die komplexen chemischen Prozesse, die sich in vielen Feuchtgebieten abspielen. Denn er möchte ergründen, wie sich der Treibhausgasausstoss aus Mooren, Mangrovenwäldern und Co. in Zeiten der Erwärmung verändert – und letztlich, wie dieser sich beeinflussen lässt.
Der unterbrochene Kreislauf
Pflanzen nehmen CO₂ aus der Luft auf. Aus dem enthaltenen Kohlenstoff erzeugen sie komplexe Moleküle wie Zucker und daraus wiederum Kohlenhydrate, mit denen sie ihre Biomasse – also beispielsweise Wurzeln, Blätter oder Stämme – bauen. Stirbt eine Birke im Wald ab, ruft dies Pilze und Bakterien auf den Plan. Sie erzeugen und setzen Enzyme frei, die wiederum die tote Biomasse der Birke zersetzen. Durch diesen Prozess kommt Kohlenstoff als CO₂ wieder in die Luft und der Kohlenstoffkreislauf schliesst sich.
«Bei Mooren ist das anders. Sie konservieren alles», sagt Felix Panis. «Der Grund sind die sogenannten Phenole, die im Wasser vorkommen.» Pflanzen produzieren diese chemischen Verbindungen im Zuge ihres Stoffwechsels, beispielsweise um Bakterien abzuwehren oder unabsichtlich als Nebenprodukt. Auch Moorpflanzen wie Torfmoose oder Moorbirken produzieren Phenole. «Das sieht man», erzählt Panis. Tümpel in sibirischen Mooren sind dunkelbraun oder schwarz – die Farbe geht auf Phenolverbindungen zurück. Die Tatsache, dass Moore und andere Feuchtgebiete phenolhaltig sind und noch dazu nass, macht sie zu effektiven Kohlenstoffspeichern.
Denn Phenole können jene Enzyme hemmen, die abgestorbene Pflanzenteile abbauen. So werden diese nicht oder nur in einem sehr geringen Masse aktiv und der Kohlenstoff, aus dem Torfmoose oder Moorbirken bestehen, gelangt nicht in die Atmosphäre.
Nur ein bisschen Luft?
Doch Phenole sind nicht unzerstörbar. Spezialisierte Bakterien produzieren Enzyme, welche sie abbauen können. Darunter sind auch die sogenannten Tyrosinasen. «Man könnte sagen, sie sind die Bösewichte dieser Geschichte», so Felix Panis. Er erklärt: «Denn damit Tyrosinase-Enzyme Phenole abbauen können, brauchen sie Sauerstoff.» In Feuchtgebieten wie Mooren, deren Böden dauerhaft feucht oder nass sind, kommen sie damit nicht in Kontakt. Das könnte sich allerdings als Folge der Erderwärmung ändern – mit erheblichen negativen Folgen.
Felix Panis hat jetzt erstmals nachgewiesen, welche Rolle Tyrosinase-Enzyme in Mooren spielen und wie sich die Erderwärmung auf sie auswirkt. Der Chemiker ging mehrstufig vor. Zuerst ergründete er, ob Bakterien, die sie herstellen, in Mooren vorkommen. Dann fand er heraus, ob sie in Mooren aktiv sind. Schliesslich erforschte er, wie sich höhere Temperaturen und mehr Sauerstoff auf die Tyrosinasen und ihre Aktivität auswirken.
Viele Daten, grosses Glück
Den Anfang machte eine Wasserprobe aus einer Salzlake am Neusiedlersee. Aus dieser vervielfältigten Felix Panis und seine Kollegen mithilfe von sogenannten Primern rund 20 Teilstücke der DNA, also der «Bauanleitung» von darin enthaltenen Tyrosinasen.
Diese DNA-Teilsequenzen glichen sie mit sequenzierten DNA-Daten aus einer Online-Datenbank ab – und schafften es, eine davon einer vollständigen DNA aus der Datenbank zuordnen. «Wir hatten grosses Glück», sagt der Chemiker. Denn diese Zuordnung ermöglichte es, E.-coli-Bakterien dazu zu bringen, das Enzym herzustellen und es dann zu extrahieren. Am Ende des Prozesses stand ein Tyrosinase-Präparat, an dem die Forschenden weitere Untersuchungen durchführen konnten.
Dann ging es zurück an den Computer, wo sie weitere Datenbanken nach DNA-Sequenzen von Tyrosinasen durchforsteten. Sie wurden fündig. «Über 100 Proben, in denen man Tyrosinase-Enzyme fand, stammten aus Mooren», so Felix Panis. Bei den meisten war auch der jeweilige Entnahmeort der Probe hinterlegt. So konnten die Forschenden nachweisen, dass Tyrosinasen in Feuchtgebieten vieler Klimazonen vorkommen: von Niedermooren in Deutschland bis zu Mangrovenwäldern in Indonesien.
Die Rolle der Tyrosinasen
«Als nächsten Schritt mussten wir herausfinden, ob die Tyrosinase-Enzyme, die wir gefunden hatten, auch auf die Phenole wirken, die in Mooren vorkommen», fährt der Chemiker fort. Sie nahmen das Präparat, das sie im Labor hergestellt hatten, genauer unter die Lupe. Die Salzlake, aus der die ursprüngliche Probe stammte, ist – mit einem pH-Wert von neun – relativ basisch. Bei ebendiesem Wert, so zeigten es die Experimente, sind die Tyrosinase-Enzyme aktiv. Schliesslich brachten die Forscher Phenole, die global und auch in der Salzlake vorkamen, mit fünf exprimierten Tyrosinasen zusammen. So fanden sie heraus, dass das Enzym die meisten Phenole abbaut.
Felix Panis und seine Kolleginnen konnten mit diesem aufwendigen Prozess erstmals nachweisen, welche Rolle Tyrosinasen in Feuchtgebieten spielen. Das hilft einzuschätzen, wie sich Treibhausgasflüsse aus Mooren in Zeiten der Klimakrise entwickeln – und wie man hier eingreifen könnte.
Lassen sich die Kohlenstoff-Bomben entschärfen?
Feuchtgebiete, sagt Felix Panis, sind Kohlenstoff-Zeitbomben. Eskaliert die Klimakrise weiter, könnten sie zünden – denn es wird laufend trockener und heisser. In der Folge können Moore trockenfallen. So gelangt Sauerstoff in die einst nassen Böden und Tyrosinasen beginnen Phenole abzubauen. Ohne Phenole können andere Enzyme Pflanzenreste, die aus Kohlenstoff bestehen, abbauen. Als Klimafolge gelangt so massenhaft CO₂ in die Atmosphäre und verstärkt die Erwärmung. Ein Teufelskreis, der bereits abläuft und sich verschärfen könnte.
Ob und wenn ja, wie stark diese Entwicklungen ablaufen, erforschen die Chemiker aktuell anhand von Laborexperimenten. «Wir wollen wissen, was konkret passiert, wenn es trockener und wärmer wird», erklärt Panis. Zusätzlich experimentieren sie mit einem Lösungsansatz, den sogenannten methoxylierten Phenolen.
Um ihn zu verstehen, muss man bis auf die molekulare Ebene hineinzoomen. Viele Phenole bestehen aus einem Benzolring, an dem eine OH-Gruppe, also ein Sauerstoffatom und ein Wasserstoffatom, hängt. «Es gibt allerdings auch Phenole mit einer Methylverbindung, also etwa CH3, an der Stelle des Wasserstoffatoms», erläutert Panis. Tyrosinase-Enzyme können diese methoxylierten Phenole nicht abbauen. So können diese weiterwirken und jene Enzyme hemmen, die abgestorbene Pflanzenteile zersetzen. Die Forschenden ergründen gerade, was passiert, wenn methoxylierte Phenole eingebracht werden. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend. «Es sieht so aus, als gäbe es Licht am Ende des Tunnels», sagt der Chemiker.
Zur Person
Felix Panis promovierte in Chemie an der Universität Wien. Am Institut für biophysikalische Chemie forscht er zu Tyrosinasen, speziellen Enzymen, die eine zentrale Rolle im Kohlenstoffkreislauf von Feuchtgebieten spielen. 2024 erhielt er den «Zero Emissions Award» der Alpha+ Stiftung des Wissenschaftsfonds FWF für das Projekt «Tyrosinasen in Feuchtgebieten: tickende Klima-Zeitbomben» (2023–2028).
Der beste Weg bleibt Klimaschutz
Das Wiener Forschungsteam konnte jetzt erstmals zeigen: Beeinflusst man Tyrosinasen, hat das auch Auswirkungen darauf, wie viel CO₂ aus Mooren entweicht. Diese Erkenntnis kann als Basis für etwaige künftige Forschung mit Tyrosinasen und methoxylierten Phenolen ausserhalb des Labors dienen. Bis es so weit ist, gibt Forscher Panis zu bedenken, wird allerdings noch viel Zeit vergehen. Bis dahin ist es wichtig, einen Lösungsansatz zu verfolgen, der gesichert ist und sofort wirkt: den Treibhausgasausstoss in die Atmosphäre zu senken. Desto weniger diese sich erwärmt, desto später trocknen Feuchtgebiete aus und kommen mit Sauerstoff in Verbindung. Effektiver Klimaschutz hilft, Kohlenstoff noch länger in Mooren und Co. gespeichert zu halten. Eigentlich ist es ganz einfach, sagt Panis: «Feuchtgebiete müssen feucht bleiben.»
