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Climate effects on woody debris on and in Alpine soils

Einfluß von atmosphärischer CO2-Konzentration und pflanzlicher Artdiversität auf bodenlebende Nematoden und Mikroarthropoden eines Mesobrometums

Erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen führen über vermehrtes Wurzelwachstum und vermehrte Abgabe von Wurzelexudaten zu einer intensivierten Verlagerung von Kohlenstoff in den Boden. Diese zusätzlichen Energiequellen für die Bodenmikroflora gestatten theoretisch erhöhtes mikrobielles Wachstum und erhöhte Aktivität und vermögen daher bodenbiologische Prozesse (Abbau des Bestandesabfalls, Nährstoffmineralisierung) massiv zu beeinflussen. In vielen Untersuchungen konnte dieses erwartete Anwachsen der mikrobiellen Biomasse und Aktivität jedoch nicht festgestellt werden. Möglicherweise wird die erhöhte mikrobielle Biomasse unter bestimmten Umständen effizient von bakterien- und pilzfressenden Bodentieren genutzt und der erhöhte C-Input in den Boden in tierischer Biomasse festgelegt. Untersuchungen zur Reaktion der Bodenfauna auf erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen fehlen allerdings nahezu völlig. In unserem Projekt verfolgen wir die Reaktion microbivorer Organismen (Mikroarthropoden und Nematoden) in zwei vom Institut für Botanik der Universität Basel in einem Halbtrockenrasen bei Nenzlingen (CH) durchgeführten mehrjährigen CO2-Anreicherungsexperimenten.

Wirkung mikrobiologischer Prozesse am Boden und im Wasser auf verschiedene atmosphaerische Spurengase

Zielsetzung: Untersuchungen ueber den Einfluss mikrobiologischer Prozesse im Boden und Oberflaechenwasser der Ozeane auf CO, H2, CFCl3, CF2Cl2, CCl4, Hg, H2CO, N2O und CH4. Bestimmung der Abbauraten und Produktionsraten als Funktion der Bodenart und Bodentemperatur. Messung der im Wasser geloesten Gasanteile im Ozean und Bestimmung ihrer vertikalen Verteilung bis in Wassertiefen von 1000 m. Methoden: in situ-Messungen am Boden sowie an verschiedenen Stellen der Ozeane; Laboruntersuchungen mit verschiedenen Mikroorganismen.

Oekologie der Mikroorganismen in Boeden verschiedener Herkunft und Behandlung unter besonderer Beruecksichtigung des Vorkommens und der Bedeutung von Azotobacter

Taetigkeit und Vorkommen der Mikroorganismen werden nach zwei Gesichtspunkten untersucht: a) nach ihrer Indikatorfunktion (als Indikator z.B. fuer oekologische Faktoren), b) nach ihrer Verursachungsfunktion (indem sie bestimmte Umsetzungen verursachen). Beide Gesichtspunkte werden in diesem langfristigen Vorhaben parallel mit dem Ziel der Erweiterung der Kenntnisse auf diesem Felde und insbesondere im Hinblick auf Bodenpflegemassnahmen, Bodenbelastungen und Umweltfaktoren beruecksichtigt. Dabei spielen auch methodische Fragen eine Rolle.

Die mikrobielle Besiedlung von Wurzeloberfläche und Rhizosphäre in ihrer Bedeutung für Stoffumsätze in Böden

Die Bedeutung der mikrobiellen Besiedlung von Wurzeloberfläche und Rhizosphäre für Stoffumsätze in Böden soll im Gewächshaus mit vier Gefäßversuchen erfasst werden. Im ersten Versuch wird die Eignung Ergosterol und Muraminsäure zur Quantifizierung von Pilz- und Bakterienbiomasse auf Wurzeloberflächen mit anderen, insbesondere mikroskopischen Methoden überprüft. Im zweiten Versuch wird der Einfluss der Pflanzenart auf die mikrobielle Besiedlung der Wurzeloberfläche untersucht. Im dritten Versuch wird ermittelt, ob die mikrobielle Biomasse eines Bodens und deren Zusammensetzung, dargestellt durch die Quotienten von Ergosterol (Biomarker für Pilze) bzw. Muraminsäure (Biomarker für Bakterien) und mikrobieller Biomasse, die mikrobielle Besiedlung von Wurzeloberflächen beeinflusst. Im vierten Versuch wird das Verhalten der rhizoplanen Organismen während des Absterbens der Wurzel beobachtet und untersucht, inwieweit es zu Interaktionen mit den Mikroorganismen der Rhizosphäre und des Gesamtbodens kommt. Dazu wird nicht nur die mikrobielle Biomasse quantifiziert, sondern auch der Übergang der Wurzelbiomasse in mikrobielle Residuen als Zwischenspeicher für Nährstoffe speziell beachtet. Es ist davon auszugehen, dass die Interaktionen zwischen Pflanze, mikrobieller Biomasse und mikrobiellen Residuen eine wichtige Funktion für die Immobilisierung und Mobilisierung von Pflanzennährstoffen haben.

Daten zur Boden-Dauerbeobachtung

Im Rahmen der Boden-Dauerbeobachtung werden eine Vielzahl von Daten und Messwerten erhoben und gespeichert. Dazu gehören unter anderem - Lage der Boden-Dauerbeobachtungsfläche - Informationen zum Bodenaufbau einschließlich chemischer und bodenphysikalischer Parameter - Nutzung und Bewirtschaftungsdaten - Zusammensetzung der Bodenflora und -fauna - Vorkommen von Flechten im Umfeld

Bilanzierung des Beitrags mikrobieller Biomasse zur Bildung refraktärer organischer Substanz im Boden mittels Isotopentracertechniken (Zellen, Zellbestandteile, CO2 und NH4)

Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.

Produktion und Konsumption (Flüsse) der klimarelevanten Spurengase, Lachgas und Methan in einem Dauergrünland unter steigender atmosphärischer CO2-Konzentration

Außer dem bekannten Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) existieren weitere stark klimawirksame Spurengase biologischen Ursprungs, z.B. Lachgas (N2O) und Methan (CH4), die mikrobiell im Boden produziert (N2O, CH4) oder im Falle des Methans auch verbraucht (oxidiert) werden. Die steigende atmosphärische CO2-Konzentration kann sich über die Pflanzen in vielfacher Weise auf die bodenmikrobiellen, Spurengasproduzierenden Prozesse auswirken. So ist beispielsweise nachgewiesen worden, dass der Wasserverbrauch der Pflanzen unter erhöhtem CO2 häufig sinkt und die Abgabe von leicht zersetzbarem Kohlenstoff an den Boden (Wurzelexudation) steigt. Beides könnte die Denitrifikation und damit die N2O-Produktion begünstigen, ebenso die Methanproduktion, wenn im Boden anaerobe Bedingungen (z.B. durch Überflutung) eintreten. Steigende Bodenfeuchte würde zugleich die Sauerstoff-abhängige Methanoxidation im Oberboden hemmen. Zu diesem Thema existieren bislang weltweit nur Kurzzeit- und Laborstudien. Im hier vorgestellten Projekt werden im Freilandexperiment die Langzeitauswirkungen steigender atmosphärischer CO2-Konzentrationen über das System Pflanze-Boden auf die Flüsse der klimawirksamen Spurengase N2O und CH4 in einem artenreichen Dauergrünland untersucht. Hierzu gelangt ein im Institut für Pflanzenökologie neuentwickeltes Freiland-CO2-Anreicherungssystem (FACE) zur Anwendung, bei dem die CO2-Konzentration in drei Anreicherungsringen seit Mai 1998 um etwa 20 Prozent gegenüber den drei Kontrollringen erhöht wurde. Über die Jahresbilanzierungen der Spurengasflüsse sowie über begleitende Prozessstudien soll geklärt werden, wie und auf welche Weise erhöhtes CO2 auf die N2O- und CH4-Spurengasflüsse rückwirkt. Die ersten Ergebnisse zeigen deutlich, dass in einem etablierten artenreichen Ökosystem wie dem untersuchten Feuchtgrünland zuerst die unterirdischen Prozesse auf die steigenden CO2-Konzentrationen reagierten (Bestandesatmung). Die oberirdische Biomasse zeigte erst nach etwa 1,5 Jahren der CO2-Anreicherung einen signifikanten Zuwachs gegenüber den Kontrollflächen. Im Jahr 1997, vor dem Beginn der CO2 -Anreicherung, waren sowohl die N2O-Emissionen als auch die CH4 Flüsse auf den (späteren) Anreicherungs- und den Kontrollflächen fast identisch. Seit Beginn der Anreicherung hingegen sind die N2O-Emissionen vor allem während der Vegetationsperiode dramatisch angestiegen: auf 278 Prozent der Emissionen der Kontrollflächen. Die Methanoxidation war rückläufig unter erhöhtem CO2: Mittlerweile oxidieren die CO2 Anreicherungsflächen 20 Prozent weniger CH4 als die Kontrollflächen (Jahr 2000), wobei auch hier der größte Unterschied während der Vegetationsperiode auftrat. Eine erhöhte Bodenfeuchte kommt als Erklärung nicht in Frage, da sich diese nicht geändert hat.

Ökologische Sukzession der mikrobiellen Gemeinschaften in Chronosequenzen der Erdrutschböden in den neuseeländischen Südalpen

Die neuseeländischen Südalpen bieten ein ideales Umfeld für Studien der Bodenentwicklungsprozesse entlang der Chronosequenzen aufgrund der hohen Frequenz an Erdrutschen. Die Erdrutsche in den neuseeländischen Südalpen wurden in früheren geomorphologischen und geochemischen Forschungsarbeiten umfassen studiert und zeichnen sich zudem durch eine gute Zugänglichkeit aus. Allerdings waren die ökologischen Aspekte der Ökosystemherstellung hauptsächlich von der Perspektive der Vegetation untersucht. Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Untersuchung der Ökosystemherstellung mit Schwerpunkt auf mikrobiellen Prozessen in Böden entlang einer Erdrutsch Chronosequenz. Prokaryotischen (Bakterien; Archeen) und eukaryotischen (Algen; Pilze) Bodenmikrobengemeinschaften und ihre Funktionspotenziale werden in Kombination mit geochemischen Analysen, Messungen der Emissionen der Respirationsgase und physiologischen Studien der nitrifizierenden Mikroorganismen studiert. Die Daten werden es ermöglichen, ein holistisches Bild der Ökosystementwicklung zu präsentieren und die Rolle der Mikroorganismen bei der Besiedlung von Initialhabitaten zu untersuchen. Die Identifizierung der dominanten mikrobiellen Taxa und Funktionspotentiallen entlang einer Chronosequenz kann außerdem als eine zusätzliche Methode zur Erkennung des Sukzessionsstatus des Ökosystems bieten. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt wird in sich einen bottom-up und top-down Ansätze der Ökosystemforschung kombinieren. Dabei werden die mikrobiellen Gemeinschaften auf Grundlage ihrer molekularen Identität und ihres funktionellen Geninventars mit Feldmessungen der Respirationsgasflüsse und physiologischen Studien zusammen untersucht. Das Forschungsprojekt wird sich auf die folgenden Fragen fokussieren: (a) Zeichnen sich die Erdrutschböden entlang einer Chronosequenz durch unterschiedliche Kerngemeinschaften aus und dominieren bestimmte Taxa?(b) Wie verändern sich die Flüsse der wichtigsten Respirationsgase (CO2, CH4, N2O) während der Sukzession und wie korrelieren diese mit dem funktionellen Geninventar und der Zusammensetzung der Bodenmikrobengemeinschaften?(c) Wie beeinflusst der Gehalt an reaktiven Stickstoff (z. B. Ammonium) die Zusammensetzung der Gemeinschaften von nitrifizierenden Mikroorganismen?Innovation - Dieses Projekt wird die Primärsukzession aus der Perpektive der Entwicklung der Bodenmikrobengemeinschaften und deren Funktionen untersuchen. Die Studie wird prokaryotische und eukaryotische Analysen kombinieren. - Entwicklung der Erdrutschböden wird in einem holistischen Ansatz studiert, indem molekulare Techniken in Kombination mit geochemischen Untersuchungen und Feldmessungen der Flüße der Respirationsgase integriert werden. - Mikroorganismen, die Nitrifikationsprozess in untersuchten Böden katalysieren, werden angereichert und ihre Physiologie studiert. Somit wird die Evolution eines der Schlüsselprozesse des N Zyklus in einer Boden Chronosequenz untersucht.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Biodiversität Nitrate-Reduzierender Mikroben in Grünlandböden erfasst durch Hochdurchsatz-Kultivierung und Genomik (Akronym: BE-Cult)

Das Projekt BE-Cult wird sich mit der Biodiversität von nitratammonifizierenden (syn. Dissimilatorischen Nitrat-zu-Ammoniumreduzierenden, DNRA) Bakterien in Böden von wenig und intensiv genutzten Grünländern der Biodiversitätsexploratorien (BEs) an allen Grünland-VIPs (very intensively studied plots) beschäftigen. Die Funktion Stickstoff (N) durch DNRA-Bakterien im Boden zu halten, wurde lange Zeit nur wenig wahrgenommen und die quantitative Rolle bei der Lachgas-Freisetzung aus Böden nicht untersucht. Aus diesem Grund gibt es umfassende Informationen zur Biodiversität und Ökophysiologie von denitrifizierenden aber nicht zu DNRA-Boden- Mikroorganismen. Die Konsequenz dieser historischen Entwicklung ist, dass heute wenig über die Ökophysiologie und Bedeutung der DNRA Bakterien im N-Kreislauf terrestrischer Ökosysteme bekannt ist. Im Gegensatz zu den DNRA-Bakterien, bilden Dentrifikanten N-haltige Gase als Endprodukt ihres Stoffwechsels, die substantiell zum N-Verlust in Böden beitragen. Dahingegen reduzieren DNRA Bakterien Nitrat hauptsächlich zu Ammonium, das im Boden verbleibt und als wichtiger Pflanzennährstoff dient. Beide Bakteriengrupppen bilden das potente Treibhausgas Lachgas und tragen damit zur globalen Erwärmung bei. Das Hauptanliegen des Projektes BE-Cult ist es den Einfluss der Landnutzungsintensität auf diese wichtigen Mikroorganismen im N-Kreislauf von Böden zu untersuchen. In einem Hochdurchsatz-Kultivierungs-Ansatz (einschl. MALDI TOF MS für eine schnelle Stammidentifikation und verschiedene Tests zur physiologischen Charakterisierung des Nitrat- Stoffwechsels) werden über 10.000 Reinkulturen charakterisiert und entsprechend ihrer Phylogenie und Nitrat-Physiologie gruppiert. Aus dieser Stammsammlung werden 100 Isolate genom-sequenziert. Basierend auf den genomischen Informationen werden PCR-Primer funktioneller Genmarker entwickelt und verbessert um dann die funktionellen Genmarker in DNA-Extrakten der Grünland-VIPs zu quantifizieren. Zusammen mit Partnern in den BEs wird die relative Bedeutung der DNRA-Bakterien (insbesondere ihrer relativen Aktivität im Vergleich zu Denitrifikanten) in Meta-Transkriptom Datensätzen evaluiert. Letztendlich werden die so gewonnen Daten in multivariaten Analysen bestehend aus funktionellen Genmarker-Abundanzen, physiologischen 'traits' und auch abiotischen wie biotischen Parametern verwendet um die Verteilungsmuster von DNRA Bakterien in Böden zu erklären und ihre ökologischen Nischen besser definieren zu können.

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