Regen macht Mikroben mobil

Wenn ein Regentropfen auf den Boden fällt, kann er hunderte winziger, bakteriengefüllter Aerosoltröpfchen erzeugen. (Foto: Buie et al.)

Wenn Regentropfen auf den Boden platschen, sorgen sie nicht nur für Bewässerung: Die Tropfen katapultieren auch zahlreiche Bodenmikroben in die Luft und tragen so zu ihrer Verbreitung bei. Experimente belegen, dass sich beim Niederschlag Aerosole bilden, die die Bakterien wie winzige Schwebefähren in die Atmosphäre tragen. Weltweit gelangen dadurch pro Jahr Trilliarden Bodenmikroben in die Luft und werden vom Wind verbreitet, schätzen die Forscher. Dieser Transportmechanismus sei daher sowohl für die Medizin als auch für die Landwirtschaft relevant.

Unsere Böden sind wahre Tummelplätze für Bakterien aller Art – und das selbst mitten in der Stadt: In Bodenproben aus dem New Yorker Central Park entdeckten Forscher erst vor Kurzem mehr als 120.000 verschiedene Mikrobenarten, von denen ein Großteil noch völlig unbekannt war. Klar ist aber, dass viele Bodenbakterien für die Nährstoffkreisläufe der Natur unverzichtbar sind. Erst sie zersetzen organische Materie, produzieren den fruchtbaren Humus und bestimmen, wie viel Kohlendioxid, Methan und andere Gase ein Boden an die Atmosphäre abgibt. Doch auch für die Medizin und Landwirtschaft sind die Bodenbakterien relevant: "Stellen Sie sich vor, eine Pflanze ist mit einem Krankheitserreger infiziert und dieses Pathogen gelangt in den Boden", sagt Erstautor Cullen Buie vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. Über diese im Boden verteilten Bakterien können sich dann weitere Pflanzen in der näheren und fernen Umgebung anstecken. Für den Menschen relevante Krankheitserreger können sich zudem in den Böden durch Kontakt mit den dortigen Bakterien Resistenzgene aneignen – mit fatalen Folgen für die Wirksamkeit der Antibiotika.

Eines aber blieb bisher weitgehend rätselhaft: "Angesichts der Tatsache, dass viele bodenbasierte Bakterien auf wässrige Milieus angewiesen sind, ist noch immer kaum erklärbar, wie sie es schaffen, so weit und schnell durch die Luft verbreitet zu werden", sagen Buie und seine Kollegen. Denn mit verwehtem Staub werden zwar Mikroben bekanntermaßen sogar über Ozeane transportiert, sie aber sind am Ankunftsort dann oft nicht mehr lebensfähig. Um der Sache nachzugehen, haben die Forscher nun Experimente mit verschiedenen Bodenarten durchgeführt, darunter Lehmböden und Sand. Für ihre Studie impften die Forscher diese Bodenproben mit drei gängigen Bodenbakterien, Corynebacterium glutamicum, Bacillis subtilis und Pseudomonas syringae. Dann ließen sie künstlich erzeugte Regentropfen auf diese Untergründe pladdern. Der Verdacht der Wissenschaftler: Wenn die Wassertropfen auf den Boden treffen, zerplatzen und als kleinere Spritzer wieder hochgeschleudert werden, nehmen sie Bodenpartikel, aber auch Bodenbakterien auf. Mit Glasplatten finden die Wissenschaftler diese Spritzer auf und testeten zudem, ob dabei auch echte Aerosole – langlebigere Schwebteilchen – entstehen.

Erst Bläschen, dann Aerosole

Das Ergebnis: Durch den Regen entstehen tatsächlich nicht nur Spritzer und kleinere Tropfen, die unweit der Aufschlagstelle wieder zu Boden fallen, sondern es werden auch deutlich kleinere, schwebfähige Aerosole gebildet. "Wenn der Tropfen den Boden trifft, bilden sich in seinem Inneren zunächst kleine Bläschen", erklären Buie und seine Kollegen. "Wenn diese an der Tropfen-Oberfläche zerplatzen, entstehen kleine Tröpfchen." Ein einziger Regentropfen kann auf diese Weise hunderte von Aerosol-Tröpfchen erzeugen, wie die Forscher beobachteten. Ihren Analysen nach enthielten diese Aerosole jedoch nicht nur Wasser, sondern auch vom Boden aufgenommene Bodenbakterien – und diese blieben in diesen Mini-Tröpfchen mehr als eine Stunde lang lebensfähig. "Wenn die Bakterien einmal mit den Aerosolen in die Luft gelangt sind, können sie durch den Wind schnell und weit verbreitet werden", erklären Buie und seine Kollegen. Dieser Mechanismus könnte daher erklären, warum bestimmte Mikroben sich so schnell verbreiten.

Die Experimente enthüllten auch, wie viele Bodenmikroben durch Niederschläge in die Luft gelangen können: Ein einzelner Regentropfen katapultiert immerhin rund 0,01 Prozent aller in den Bodenproben enthaltenen Mikroben als Aerosol in die Luft. Die Zahl der Aerosole und Mikroben nahm dabei umso stärker zu, je wärmer und trockener der Boden vorher war, wie die Wissenschaftler berichten. Außerdem waren lehmige Böden bessere Mikrobenüberträger als Sandböden, weil Sand die Tropfen besser absorbiert und sie daher nicht zurückzuspritzen. 0,01 Prozent klingt nach nicht sonderlich viel, doch rechnet man dies auf alle Böden der Welt hoch, kommt einiges zusammen: "Wir schätzen, dass weltweit 12 bis 850 Trilliarden Bakterienzellen pro Jahr so in die Atmosphäre gelangen", berichten die Forscher. "Und darin sind andere Arten von Mikroben wie Viren, Pilzsporen oder eukaryotische Einzeller noch nicht mit eingerechnet." Ihre Studie klärt damit nicht nur auf, wie Bodenbakterien es schaffen, erstaunlich schnell und zahlreich über Kilometer verfrachtet zu werden. Die neuen Erkenntnisse haben auch Relevanz für die Medizin, die Landwirtschaft und die Mikrobiologie.

Aerosol-Produktion eines Wassertropfens (Video: Nature Communications)

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