Ernsthaft? Ernsthaft!

Wie würden Sie reagieren, wenn Sie jemand fragt, ob Sie sich mal Stimmen von Maikäferlarven anhören möchten? Mit genau dieser Frage habe ich letzte Woche Besucher beim Hessentag in Rüsselsheim angesprochen. Ich hatte dort die Möglichkeit zusammen mit vier meiner Feldmaikäferengerlinge, mein Projekt CH4ScarabDetect am Stand von ProLoewe im Rahmen des Schwerpunktes FACE2FACE den Hessentagsbesuchern zu präsentieren.

FACE2Face-Stand bei ProLoewe

Meine kleine Projekt-Präsentation auf dem Hessentag, …

Die Reaktion der Leute auf meine Frage verlief im Großen und Ganzen immer nach dem gleichen Schema. Erst erkundigte man sich, ob man die Frage richtig verstanden hatte. Dann ließ man sich versichern, dass das ganze kein Scherz ist („Sie wollen mich jetzt nicht veräppeln, oder?) und wer dann noch Interesse hatte, der kam auch zu meinem Stand und setzte sich die Kopfhörer auf.

Ansturm_FACE2FACE_Dr_Görres

…wo es zwischenzeitlich auch mal eng werden konnte.

Die Lautäußerungen von Engerlingen sind in keiner Weise mit den Stimmen vergleichbar wie man sie von Säugetieren kennt. Aber Engerlinge sind in der Lage absichtlich Laute zur Kommunikation im Boden von sich zu geben. Der Fachausdruck dafür ist Stridulation. Bei der Stridulation werden zwei bewegliche Körperteile gegeneinander gerieben, wodurch Laute erzeugt werden. Bei den Maikäferengerlingen werden die Mundwerkzeuge, die Mandibeln, gegeneinander gerieben. Man kann also sagen, sie unterhalten sich untereinander durch Zähne- und Kieferknirschen. Davon überzeugte sich unter anderem auch der hessische Kultusminister Alexander Lorz.

Kultusminister Lorz Hessentag 2017

Besuch des Kultusministers am ProLoewe-Stand.

Innerhalb des letzten Jahres habe ich schon unzählige Audioaufnahmen von Engerlingen im Boden gesammelt (dafür steckt man einfach ein Mikrofon in den Boden), aber ich habe keine Ahnung was die Engerlinge mit ihren Lauten bezwecken wollen. Für mich dienen die Audio-Aufnahmen derzeit in erster Linie dazu eine Methode zu entwickeln, um die Engerlinge im Boden einfacher zu finden, damit ich anschließend ihre Methanemissionen bestimmen kann. Wenn ich an den Punkt angekommen war, an dem ich den Besuchern erzählte, dass Engerlinge Methan genauso produzieren und abgeben können wie Kühe, kam meistens der zweite ungläubige Blick („Ernsthaft? Wie kommt man auf die Idee, sowas zu erforschen?“) Tja, auf diese Frage hatte ich nicht wirklich eine Antwort, aber es war definitiv keine Schnapsidee. Davon überzeugte sich auch die hessische Milchkönigin.

Milchkönigin Hessentag

Besuch der hessischen Milchkönigin, Sarah I.

Snacking out of season

One objective of my research project „CH4ScarabDetect“ is to quantify directly in the field methane (CH4) emissions of cockchafer larvae at cockchafer infested sites. In May, I visited the Kaiserstuhl – a region in southwest Germany famous for its wine production. To the dismay of the wine-growers, cockchafer larvae like to feed on vine, but I didn’t plan to visit any vineyards that day.

When I started my journey in the morning, I thought I would spend my day amongst walnut trees in a tree nursery in a small town called Sasbach-Leiselheim. There is a family-owned tree nursery and the family Schott already has to deal with the common cockchafer (Melolontha melolontha) as a pest insect for over 30 years. The common cockchafer is one of the main pest insects at the Kaiserstuhl.

Leiselheim am Kaiserstuhl

Leiselheim

To my surprise, Mr. Schott senior drove me to  a small Christmas tree plantation near Burkheim which belongs to another landowner. Christmas trees were never on my list of vegetation types I wanted to visit during my research project, but if the cockchafers like them, I like them as well.

CH4ScarabDetect

Christmas trees which have been damaged by cockchafers.

For my soil excavations at cockchafer infested sites, I start with marking 50 cm x 50 cm large measurement plots with the help of a wooden frame. Then, I dig up the soil in these plots to a depth of about 25 – 30 cm. For each cockchafer larva that I find during digging I write down at which depth I found it and I measure its weight. At the Christmas tree plantation, I found up to 25 larvae per m² at different stages of larval development (weights ranging between 0.6 and 2.6 g). A fully-grown adult beetle was also among my findings.

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Excavated measurement plot (50 cm x 50 cm, 25 cm deep).

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A larva of the Common Cockchafer right below the soil surface.

To determine the CH4 emissions of the excavated larvae, each individual is placed inside a large glass test tube which is then sealed air-tight for an hour. We refer to this method as incubation and the time the test tube is closed as incubation time. During the incubation time, all CH4 which is emitted by the larva is collected in the test tube. After an hour, a small air sample (25 ml) is extracted from the test tube with a syringe. The air sample will be stored in a small glass vial and latter analysed with a gas chromatograph to determine its CH4 concentration. I don’t know yet how much CH4 the larvae emitted at the Christmas tree plantation on that day because the data of the gas chromatograph still has to be analyzed. However from other sites, I know that the CH4 concentration inside the glass test tubes can increase to more than 50 ppm within an hour which is far above the atmospheric concentration of CH4 in the air surrounding us, which is about 1.8 ppm.

Methanmessung

Cockchafer larva in a glass test tube for a methane measurement.

Vom Rheingau an den Kaiserstuhl

Ein Teil meiner Arbeit im Forschungsprojekt „CH4ScarabDetect“ besteht darin, mit Maikäfer-Engerlingen befallene Flächen aufzusuchen und die Methanemissionen dieser Engerlinge direkt vor Ort zu bestimmen. Anfang Mai ging es von der im Rheingau gelegenen Hochschule Geisenheim an den Kaiserstuhl. Beide Regionen sind für ihren Weinanbau bekannt. Die Engerlinge des Feldmaikäfers haben zum Leidwesen der Winzer auch Weinreben zum Fressen gern, aber die Weinberge waren diesmal nicht mein Ziel.

Als ich am Morgen losfuhr, ging ich noch davon aus, dass ich den Tag in Sasbach-Leiselheim in einer Baumschule zwischen Nussbäumen verbringen würde. Leiselheim ist der Sitz der Baumschule Schott, die sich auf Nussbäume spezialisiert hat. Die Familie Schott muss sich leider schon seit über 30 Jahren mit dem Thema Fraßschäden durch Maikäferengerlinge befassen, da der Feldmaikäfer einer der Hauptschädlinge am Kaiserstuhl ist.

Leiselheim am Kaiserstuhl

Leiselheim am Kaiserstuhl

Informationstafel der Baumschule Schott

Informationstafel der Baumschule Schott

An der Baumschule wurde ich von Herrn Schott senior mit dem Auto abgeholt. Ohne die Zusammenarbeit mit der lokalen Bevölkerung wäre mein Projekt, so wie ich es mir vorstelle, nicht durchführbar. Die vom Maikäferfraß betroffenen Landnutzer wissen am besten, wo es sich am meisten lohnt, nach Engerlingen zu graben, und natürlich brauche ich die Zustimmung der Eigentümer bevor ich auf einer Fläche graben darf. Außerdem lohnt es sich, den Leuten vor Ort gut zuzuhören, denn einen großen Teil ihrer Beobachtungen der Landschaft direkt vor ihrer Haustür findet man in keinem Lehrbuch oder Fachartikel. Von Herrn Schott habe ich zum Beispiel gelernt, dass Feldmaikäfer-Engerlinge sich in einer Stunde durchaus 40 cm horizontal durch den Boden graben können, und dass auf Äckern Wühlspuren von Wildschweinen auf Engerlinge im Boden hinweisen können, denn Wildschweine fressen gerne Engerlinge.

WIldschweinspuren bei Burkheim am Kaiserstuhl

Wildschweinspuren in der Nähe von Burkheim am Kaiserstuhl

Zu meinem Erstaunen brachte Herr Schott mich zu einer kleinen Anpflanzung von Weihnachtsbäumen in der Nähe von Burkheim, die einem Bekannten von ihm gehört. Weihnachtsbäume standen nicht auf meinem Plan, aber ich grabe da, wo sich die Engerlinge wohlfühlen. Für meine Grabungen markiere ich mit einem Holzrahmen 50 cm x 50 cm große Messflächen, die ich dann bis zu einer Tiefe von 25 – 30 cm aufgrabe. Von jedem ausgegrabenen Engerling werden die Fundtiefe und das Gewicht notiert. In der Weihnachtsbaumanpflanzung gab es bis zu 25 Feldmaikäfer-Engerlinge pro Quadratmeter in verschiedenen Stadien der Larvenentwicklung (Körpergewicht zwischen 0.6 und 2.6 g). Ein ausgewachsener Feldmaikäfer war auch dabei.

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Weihnachtsbaum mit Fraßschäden. Im Hintergrund ein markierter Grabungsplot.

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Bodentemperaturmessung in einer aufgegrabenen Messfläche.

Zur Bestimmung der Methanemissionen der Engerlinge wird jedes ausgegrabene Individuum nach dem Wiegen für eine Stunde in ein großes Reagenzglas gelegt, das luftdicht verschlossen wird. Diese Methode bezeichnen wir als Inkubation und die Verschlusszeit als Inkubationszeit. Während dieser Inkubationszeit sammelt sich das vom Engerling ausgestoßene Methan im Reagenzglas an und am Ende der Stunde wird mit Hilfe einer Spritze eine Luftprobe (25 ml) aus dem Reagenzglas genommen. Später wird im Labor mit Hilfe eines Gaschromatographen die Methankonzentration in dieser Luftprobe bestimmt. Wieviel Methan die Engerlinge in der Weihnachtsbaumplantage an diesem Tag ausgestoßen haben, kann ich Ihnen noch nicht sagen, da mir die Ergebnisse des Gaschromatographen noch nicht vorliegen. Aber von anderen Grabungen weiß ich, dass die Konzentration in diesen Reagenzgläsern durch die Engerlinge innerhalb von einer Stunde auf über 50 ppm ansteigen kann, was weit über der Konzentration von ~1,8 ppm Methan in der uns umgebenden Luft liegt.

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Feldmaikäferengerling direkt unter der Grasnarbe.

Methanmessung

Methanmessung an einem Feldmaikäferengerling.

Bodenkühe

Wenn ich Menschen erzähle, dass ich Treibhausgasemissionen aus landwirtschaftlichen Böden messe, ist die häufigste Antwort “Oh, Sie arbeiten mit Kühen.” Beinahe jeder scheint zu wissen, dass Kühe das Treibhausgas Methan (CH4) ausstoßen (was ich sehr gut finde). Allerdings wissen viel weniger Menschen, dass auch Böden eine sehr wichtige Rolle in Bezug auf CH4 spielen. Die folgende Grafik gibt einen kleinen Überblick über CH4 in Böden.

methan-im-boden

In Böden wird CH4 von bestimmten Mikroorganismen produziert, den sogenannten Methanogenen. Die Produktion von Methan ist der letzte Schritt beim Abbau von organischem Material unter anoxischen (= sauerstofffreien) Bedingungen. Methanogene wandeln entweder kleine organische Moleküle oder Kohlenstoffdioxid (CO2) zu CH4 um, und sie können dies nur unter anoxischen Bedingungen, da sie sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff (O2) sind. Böden können permanent anoxisch unterhalb des Grundwasserspiegels sein, oder temporär anoxische Zonen oberhalb des Grundwasserspiegels ausbilden, z.B. nach starkem Regen. Der größte Teil des CH4 im Boden wird unterhalb des Grundwasserspiegels im permanent wassergesättigtem Bereich produziert. Daher sind Feuchtgebiete und Reisfelder starke CH4-Quellen auf regionaler sowie globaler Ebene.

Gase diffundieren immer von einem Bereich mit hoher Konzentration zu einem Bereich mit niedriger Konzentration. Im Fall von CH4 bedeutet das, dass es aus der anoxischen Bodenzone in die gut belüftete (= oxische) Bodenzone diffundiert. Die oxische Bodenzone beherbergt eine andere Gruppe von Mikroorganismen, die sogenannten Methanotrophen. Methanotrophe ernähren sich von CH4 und O2 und wandeln diese in CO2 um. Nur CH4, das nicht verzehrt wird, kann den ganzen Weg bis zur Bodenoberfläche und schließlich in die Atmosphäre diffundieren. Eine gut belüftete Bodenschicht von 20 cm Mächtigkeit ist ausreichend, um die CH4-Emissionen aus wassergesättigten Böden komplett zu unterbinden. Methanotrophe können auch CH4 aufnehmen, das aus der Atmosphäre in den Boden diffundiert. Daher können gut belüftete Böden auch bedeutende Senken für atmosphärisches CH4 sein. Wer mehr über den globalen CH4-Kreislauf und CH4 in Böden wissen möchte, dem empfehle ich die nachfolgenden Links: Warum verschwindet Methan im Waldboden?, 5. Bericht des IPCC (auf Englisch)5. Bericht des IPCC (auf Englisch).

Und jetzt komme ich und sage, dass ich CH4-Produktion in gut belüfteten Böden messen werde. Warum sollte das von Bedeutung sein? Da kommen wir wieder auf die Kühe zurück: Methanogene leben sehr gerne im Verdauungstrakt von Kühen, weil es dort anoxisch ist und es mehr als genug organisches Material als Futter gibt. In Böden bedienen sich einige Methanogene des gleichen Tricks, indem sie im Darm von Blatthornkäferlarven leben, wo es völlig irrelevant für sie ist, wie gut belüftet der umgebende Boden ist. Darum nenne ich diese Käferlarven „Bodenkühe“!

Es gibt über 30000 Blatthornkäferarten und die Anzahl von Larven in Böden kann sehr hoch sein. Daher könnten Blatthornkäferlarven eine sehr wichtige CH4-Quelle sein. Ich sage „könnte“, denn bisher hat es noch keiner im Feld gemessen. Ich beschäftige mich jetzt schon seit fast 10 Jahren mit CH4 in Böden und ich habe erst letztes Jahr gelernt, dass Blatthornkäferlarven kleine „Bodenkühe“ sind.

In meinem Projekt “CH4ScarabDetect” habe ich mir den Feldmaikäfer und den Waldmaikäfer als Untersuchungsobjekte ausgewählt, um erste Eindrücke über die Bedeutung von Blatthornkäferlarven als potenzielle CH4-Quelle im Boden zu gewinnen. Warum ich gerade diese beiden Arten ausgewählt habe, wird Thema meines nächsten Blogeintrags sein. Als kleine Einstimmung hier schon mal ein Foto einer Waldmaikäferlarve.

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Soil cows

When I tell people what I do (“I measure greenhouse gas emissions from agricultural soils.”), the most common answer is “Oh, you are working with cows.” Almost everybody – regardless of their background – seems to know that cows emit the greenhouse gas methane (CH4). However, far less people know that soil is another big player when it comes to CH4. The following figure gives a simplified overview of CH4 in soils.

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In soils, CH4 is produced by a specific group of microorganisms, the so-called methanogens. Methane production is the last step in the degradation of soil organic matter under anoxic conditions (i.e. without oxygen). Methanogens convert either small organic compounds or carbon dioxide (CO2) to CH4, and they can only do it under anoxic conditions because they are very sensitive to oxygen (O2). Soils can be permanently anoxic below the groundwater table, or develop temporarily anoxic zones above the groundwater table, e.g. after heavy rain. Most of the CH4 in soils is produced below the groundwater table, which means that wetlands and rice fields are very important CH4 emitters on a regional and also global scale.

Gases will always diffuse from an area of high concentration to an area of low concentration. In the case of CH4, it will diffuse from the anoxic soil zone to the well-aerated (=oxic) soil zone. That zone is inhabited by another group of microorganisms, so-called methanotrophs. They feed on CH4 and O2 and convert these to CO2. Only CH4 which is not consumed by methanotrophs can diffuse all the way to the soil surface and into the atmosphere. An aerated soil layer of 20 cm is already sufficient to completely prevent CH4 emissions from waterlogged soils. Methanotrophs are also able to consume CH4 which diffuses from the atmosphere into the soil. As a result, well-aerated soils can be significant sinks for atmospheric CH4. For more detailed information about the global CH4 cycle and CH4 in soils follow these links: IPCC 5th Assessment report, mini review in Environmental Microbiology.

And now I come along and say that I am going to measure CH4 production in well-aerated soils. Why should that be of any interest? That’s where the cows come into play: Methanogens love to live in the rumen of cows because it is anoxic and there is plenty of organic matter to degrade. In soils, some methanogens use the same trick by living in the gut of scarab beetle larvae, where they don’t have to care at all about O2 in the soil. This is why I call scarab beetles “soil cows”!

There are over 30,000 species of scarab beetle and the number of larvae in soils can be quite large. Therefore, scarab beetle larvae might be a very important source of CH4. I say ‘might’ because, to my knowledge, nobody has ever measured it in the field. I have been studying CH4 production in soils for almost 10 years now and I just learned a year ago that scarab beetle are small “soil cows”. In my project, CH4ScarabDetect, I have chosen the larvae of the common cockchafer and the forest cockchafer as study objects to get a first impression of how important these larvae might be as CH4 sources in soils. Why I have chosen these two species from over more than 30,000 will be the topic of my next post. As a small teaser, find a picture of a forest cockchafer larva below.

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