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Leben zwischen den Steinen

Wissenschaftler der Freien Universität und der Sankt Petersburger Staatsuniversität untersuchen, wie durch Biofilme Gestein verwittert – und wie sich dieser Prozess aufhalten lässt

01.12.2015

Wind und Wetter ausgesetzt. Wie der Verwitterungsprozess beispielsweise auch bei Denkmälern und Gebäuden möglicherweise aufgehalten werden kann, erforscht die Mikrobiologin Anna Gorbushina.
Wind und Wetter ausgesetzt. Wie der Verwitterungsprozess beispielsweise auch bei Denkmälern und Gebäuden möglicherweise aufgehalten werden kann, erforscht die Mikrobiologin Anna Gorbushina. Bildquelle: cc by-NC-ND Danneborg, flickr
Mikroorganismen belagern den Stein und greifen ihn dadurch an.
Mikroorganismen belagern den Stein und greifen ihn dadurch an. Bildquelle: Anna Gorbushina
Anna Gorbushina ist an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beschäftigt und Professorin für Material und Umwelt am Institut für Geologische Wissenschaften und am Institut für Biologie der Freien Universität.
Anna Gorbushina ist an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beschäftigt und Professorin für Material und Umwelt am Institut für Geologische Wissenschaften und am Institut für Biologie der Freien Universität. Bildquelle: Svenja Radtke

Gemeinsam sind sie Mikroorganismen auf der Spur, die Steine, Denkmäler und Fassaden angreifen und Boden bilden: In einem Workshop in Dahlem haben Berliner Mineralogen und Geomikrobiologen sowie Bodenkundler und Biologen aus Sankt Petersburg kürzlich ihre bisherigen Erkenntnisse zusammengetragen. Gefördert wird das Projekt durch das Joint Seed Funding, mit dem das Center for International Cooperation der Freien Universität Synergien zwischen der Hochschule und der mit ihr in strategischer Partnerschaft verbundenen St. Petersburger Staatuniversität erzeugen will. Campus.leben sprach mit Projektinitiatorin Anna Gorbushina von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die zudem Professorin für Material und Umwelt am Institut für Geologische Wissenschaften und Institut für Biologie der Freien Universität ist.

Frau Professorin Gorbushina, woran forschen Sie mit dem internationalen Team von Wissenschaftlern?

Auf der Erde gibt es zwei Welten, die seit der Entstehung des Lebens auf diesem Planeten aufeinanderstoßen: die Biosphäre, also das Leben, und die Geosphäre, zu der die Gesteine und Böden gehören. Diese beiden Sphären kommen ständig miteinander in Kontakt. Das Verständnis davon, wie lebendige Organismen und Gesteine wechselwirken, kann uns helfen nachzuvollziehen, wie Gesteinsverwitterung abläuft. Bereits vor 20 Jahren konnte gezeigt werden, dass hierbei neben geologischen auch biologische Einflüsse eine Rolle spielen, aber die Details dazu eröffnen sich nur allmählich.

Die Mechanismen, die für Gesteinsverwitterung verantwortlich sind, kann man sehr effizient und vor allem reproduzierbar untersuchen, indem man eine komplexe Umweltsituation im Labor nachstellt. Eine neue Komponente dafür sind biologische Labormodelle, mit denen man zeitraffende Untersuchungen unter kontrollierten Bedingungen durchführen kann. Diese Modellbiofilme für Gesteinsverwitterung, die seit Kurzem an der Freien Universität und bei der BAM „mitarbeiten“, bestehen aus einer vereinfachten 2-Partner Biofilmgemeinschaft einem schwarzen Pilz und einem passenden Cyanobakterium, die genetisch gezielt gesteuert werden können. Dieses neue Instrument ist eine oftmals entscheidende Komponente, die bereits vorhandene Methoden zur Untersuchung von Verwitterungsmechanismen ergänzt.

Um ausreichend Kenntnisse über den mikrobiologischen „Gegenspieler“ zu erhalten, nutzen die Forscher ein Verfahren, das in der medizinischen Mikrobiologie, Pflanzenbiologie oder Zoologie schon seit Langem eingeführt ist: Genmanipulation. Damit wollen sie klären, welche Rolle die einzelnen Eigenschaften schwarzer Pilze oder Cyanobakterien im gesamten Prozess der biologisch gesteuerten Gesteins- oder Materialzerstörung spielen.

Um das Wechselspiel zwischen Biofilmen und Gesteinen (in der Natur oder im Labor) besser zu verstehen, brauchen wir Spezialisten aus den Geo- und den Biowissenschaften. Die Bodenkundler kennen sich damit aus, wie die Verwitterungsprodukte im Boden nach längerer Zeit dieser Interaktion aussehen. Die Mineralogen helfen uns, die Ge-steinsveränderungen zu beobachten und sie zu quantifizieren. Die Biologen erforschen spezielle Organismen, die diese Prozesse steuern können.

Wo kommt Ihre Forschung zum Tragen? Findet sie über die Grundlagenforschung hinaus bereits konkrete Anwendung?

Es gibt beide Aspekte. Einerseits verstehen wir besser, wie die Bodenbildung und Ge-steinsverwitterung auf der Erde grundsätzlich ablaufen. Andererseits kommt das Wissen über die Verwitterung von Gestein der Pflege aller steinernen Objekte zugute und kommt beispielsweise auch in der Denkmalpflege zum Tragen; schließlich verwittern auch Monumente, Skulpturen, Dächer und Fassaden. Ähnliche Mikroorganismen greifen eine Marmorskulptur im mediterranen Raum an, würden aber in den Wüsten (heißen und antarktischen) und Scheinwüsten wie auf Wänden und Dächern unserer Häuser sowie auf modernen Materialien wie Photovoltaikanlagen vorkommen. Deshalb können wir mithilfe der Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung auch Denkmäler oder Solarparks schützen.

Die natürlichen Prozesse in der Umwelt lassen sich zwar nicht stoppen. Aber wir können sie vielleicht ein bisschen verlangsamen, und das wäre für manche Gebäude schon ausreichend. Für den angewandten Aspekt unserer Forschung spielt deshalb der Kontakt zur BAM eine Rolle. Dort werden neue Materialien, die die Besiedlung der Gesteins- oder Werkstoffoberfläche aufhalten sollen, mit dem gesteinsbesiedelnden Modellbiofilm getestet.

Sie wollen im Rahmen des Projekts auch Erkenntnisse über den Klimawandel gewinnen. Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Mikroorganismen auf Oberflächen und dem Klimawandel?

Der Biofilm, also diese dünne Schicht Leben auf der Grenze zwischen Gesteinen oder Gebäuden und der Atmosphäre, ist allen atmosphärischen Einflüssen ausgesetzt. Jede Veränderung in der Atmosphäre, wie zum Beispiel Temperatur- und CO2-Anstieg, würde sich sofort auch in der Besiedelung durch Mikroorganismen spiegeln. Der Biofilm wirkt dabei als sensitiver Bioindikator des Klimawandels.

So gibt es deutliche Unterschiede zwischen der Besiedelung in unterschiedlichen klimatischen Zonen oder in einem landwirtschaftlichen Raum und der in einer Stadt. Durch den Klimawandel werden wir Biofilme, die es früher nur in Wüsten gab, auch in anderen klimatischen Zonen finden. Wir verstehen heute die Prozesse der mikrobiell verursachten Gesteinsverwitterung und haben beteiligte Organismen identifiziert. Die Untersuchungen blieben aber oft nur phänomenologisch, da sie auf Beobachtungen bereits verwitterter Gesteine, also Objekten aus der Natur basieren. Nur, diese Objekte sind sehr komplex und die Vielschichtigkeit der beeinflussenden Faktoren übersteigt oft unsere Vorstellungskraft. Hiermit lassen sich die Zusammenhänge zwischen Wirkung und Ursache nicht eindeutig klären.

Um das Thema detailliert zu bearbeiten, benötigt man ein experimentelles System im Labor, mithilfe dessen man die grundlegenden Mechanismen einzeln unter die Lupe nehmen und untersuchen kann. Solch ein System haben wir mit dem gesteinsbesiedelnden Modellbiofilm entwickelt. Wir können immer wieder den Modellorganismus, der typisch für bestimmte Oberflächen ist, im Labor genetisch steuern und unter unterschiedlichen künstlichen atmosphärischen Bedingungen und Substraten testen, wie sich der Biofilm verändert. Damit lassen sich gewisse Vorhersagen treffen und der Einfluss veränderter Klima- und Umweltbedingungen auf Gesteinsverwitterung quantitativ nachvollziehen.

Die Fragen stellte Jenny Jörgensen