Prof. Dr. Ellen Kandeler
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Diversität und Funktion von Bodenmikroorganismen Perspektiven der agrarwissenschaftlichen Forschung E. Kandeler, D. Berner, D. Keil, C. Poll, S. Marhan [email protected] Diversität und Funktion von Bodenmikroorganismen Perspektiven der agrarwissenschaftlichen Forschung - Wo leben Bodenmikroorganismen? - Mit welchen Methoden kann man Sie erfassen? - Ändert sich die mikrobielle Agrobiodiversität durch Klimawandel? - Ändert sich die mikrobielle Biodiversität durch die Landnutzungsintensität? [email protected] Mikrohabitate für Bodenorganismen Beare et al. 1995 Pilzliche Besiedlung von Böden Skala: 50 µm [email protected] Photo: Harris et al., 2002 Mikrobielle Besiedlung von Mineralien FISH Technik (Fluorescence In Situ Hybridization) detektiert Zellen und Zellkolonien am Rand von Mineralien in einem sandigen Acker. Die Zellzahlen sind in der gleichen Größenordnung wie die, die in Bodensuspension bestimmt wurden (2 x 108 Zellen g-1 Boden). Eickhorst und Tippkötten 2008 Mikrobielle Besiedlung des Porenraums 63 - 2 mm 2 mm - 63 µm Kies Sand 63 - 2 µm 2 µm - 63 nm Schluff Ton Protozoen, Pilze (100 – 0,5 µm) Bakterien (5 – 0,2 µm) Rickettsien, Chlamidien (500 – 200 nm) Viren (250 – 20 nm) Makromoleküle (10 – 1 nm) Moleküle (1nm) Atome >10 µm 10 - 0,2 µm Grobporen Sand 70 % Grobporen 33 % > 10 µm Lehm mm µm nm 10 1,0 < 0,2 µm Mittelporen Feinporen 15 % Mittelporen 33 % µm 10 – 0,2 15 % Feinporen 33 %µm < 0,2 0,1 0,01 0,001 100 10 1 0,1 1000 100 10 1 0,1 0,01 Analyse der Abundanz Nachweis der Abundanz und Diversität von Bodenmikroorganismen Competitive-PCR Real time - PCR Quantitative PCR Analyse der Diversität Bodenprobe Extraktion der DNA Fingerprint Analysen T-RFLP RFLP DGGE Amplifikation Klonbibliothek Sequenzierung RFLP mod. nach Philippot et al. 2007 An welchen Funktionen von Bodenmikroorganismen sind wir interessiert? Bodenfruchtbarkeit Düngung Bad Lauchstädt (1902) Düngung Ultuna (1956) Nachlieferung von Mineralisation Nährstoffen für Humifizierung Pflanzen Bodenbearbeitung Klimawandel Fuchsenbigl (1988) Fort Collins (1996) Hohenheim (2002) Stabilisierung der Bodenstruktur Funktion der Organismen für die C-Speicherung des Bodens; Biodiversität An welchen Funktionen von Bodenmikroorganismen sind wir interessiert? Düngung: C Input 1902 Bad Lauchstädt Düngung: Qualität des C Input 1956 Ultuna Bodenbearbeitung: Verteilung des C input 1988 Fuchsenbigl Klimawandel: Menge, Qualität und Verteilung des C input 1996 2002 Fort Collins Hohenheim Änderung der organischen Substanz und der mikrobiellen Abundanz Konsequenzen des Klimawandels für Bodenmikroorganismen und organische Substanz Temperatur atmosphärisches CO2 Niederschlag Pflanzenwachstum Bodenfeuchtigkeit Quantität u. Qualität d. Streu Quantität u. Qualität d. Exsudate Mikrobielle Biomasse, Aktivität und Gemeinschaftsstruktur Nährstoffkonkurrenz v. Pflanzen u. Mikroorganismen Bestimmung des C-Eintrags in den Boden unter erhöhtem atmosphärischem CO2-Gehalt (MiniFACE – Heidfeldhof) seit 2002 Sommerweizen + mehrere Ackerbeikräuter Luft- und Bodentemperatur, Bodenfeuchte Probennahme März und Oktober, 0-10, 10-20, 20-30 und 30-40 cm Organischer Gehalt, Mikrobielle Biomasse, Ergosterol, PLFA, Enzymaktivitäten Institut für Landschafts- und Pflanzenökologie Bodenfeuchte unter erhöhter atmosphärischer CO2 Konzentration 60 50 40 Bodentemperatur (°C) 30 30 20 Soil moisture Ambient 20 Bodenfeuchte (Vol %) Soil moisture Elevated 10 10 0 -10 0 2003 2004 Year 2005 2006 Marhan et al., 2010 Modellierung der organischen Substanz und der mikrobiellen Biomasse Boden Cnew (g C m-2) Cnew estimated new modelliert CC new modeled Jahr RothC Modells mit Bodenfeuchtefunktion (TRIFFID) (Cox 2001) Marhan et al., 2010 Bilanz der Modellierung (in Tagesschritten) Elevated CO2 Ambient CO2 Bilanz CO2 Effekt Abbau an Cold [g C m-2] -719 -658 -61 Aufbau an Cnew nach 5 Jahren [g C m-2] +395 +367* +28 Bilanz Ctot [g C m-2] -324 -291 -33 *Ambient Cnew-Eintrag proportional zur oberirdischen Pflanzenbiomasse Verlust an Ctot aufgrund des geringen C-Eintrags in das Agrarökosystem Marhan et al. 2010 Feldversuch zur Klimaänderung Temperatur: 2,5°C in 4 cm Bodentiefe Niederschlagsmenge: 25% weniger im Sommer, 25% mehr im Winter Niederschlagsverteilung: Dauer zwischen Regenevents um 50% erhöht Kombination: Menge und Verteilung des Niederschlags (Poll et al., unpublished) Konsequenzen des Klimawandels Konsequenzen Mikro-Skala: Nahrungs- und Wasserangebot für Bodenmikroorganismen Plot-Skala: Bodenfeuchte, Biomasse und Artenzusammensetzung von Pflanzen Regionale Skala: Änderung der Kohlenstoffbilanz (Boden als C-Speicher oder C-Quelle) Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration Biodiversitäts-Exploratorien gering mittel hoch Intensivierung der Landnutzung ändert nicht nur die Artenzusammensetzung von Pflanzen, sondern auch die Verteilung, Diversität und Funktion von Bodenmikroorganismen Untersuchungsgebiet Schwäbische Alb: Kalkstein-Mittelgebirgsregion im SW Deutschlands durchschnittlicher Jahresniederschlag: 800 - 930 mm a-1 jährliche Durchschnittstemperatur: 6 - 8 °C Bodentyp: Rendzic Leptosols Untersuchungsgebiet 8 1 3 6 9 5 7 4 2 9 Grünlandflächen mit verschiedenen Landnutzungsintensitäten: 3 x niedrig (ungedüngte Weide, Schafbeweidung) 3 x mittel (gedüngte Mähweide, Rind-, Pferdbeweidung) 3 x hoch (gedüngte Wiese, 2- oder 3 schürig) Probenahmedesign (Bsp. AEG 2) 10 9 8 Nördlich (m) 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Östlich (m) • Beprobung im Frühjahr 2008 • 54 Proben (0-10 cm) pro Plot gesamt: 486 Proben chemisch - physikalische Bodeneigenschaften mikrobiologische Bodeneigenschaften Funktionelle Redundanz von Nitrifikanten (Archaea und Bakterien) amoA AOA amoA AOB hohe LUI p-Range = 1.81 m p-Range = 1.39 m niedrige LUI p-Range = 3.95 m p-Range = 7.60 m Archaea dominieren über bakterielle Nitrifikanten, Koexistenz, größere räumliche Heterogenität in hoher LUI Denitrifikanten mit dem gleichen Funktionsgene (Nitritreduktase) besiedeln unterschiedliche Nischen „Niche partitioning“ nirK (g-1) nirS (m-2) hohe LUI p-Range = 2.54 m p-Range = 1.66 m niedrige LUI p-Range = 152.55 m p-Range = 50.21 m Höhere Abundanz von nirK gegenüber nirS in beiden LUI, Einnischung, hoher Autokorrelation in niedriger LUI Zusammenfassung 1. Bei Klimawandel können Böden C-Quelle oder C-Senken sein! Ursache: mikrobielle Reaktion 2. Landnutzungsintensität verändert die Diversität und Verteilung von Mikroorganismen! 3. Verteilung und Funktion von Bodenmikroorganismen sollten bei der C-Modellierung berücksichtigt werden. Perspektiven 1. Methodischer Fortschritt in der Mikrobiellen Ökologie kann genutzt werden! 2. Mikrobielle Adaptation an den Klimawandel sollte geklärt werden. 3. Mikrobielle Nährstoffnachlieferung bei knappen Ressourcen (P) sollte untersucht werden. Danke Land Baden-Württemberg BWK23003 Pascal A. Niklaus Stephanie Rein Andreas Fangmeier Martin Erbs Jürgen Franzaring Arvin Mosier Sabine Rudolph Heike Haslwimmer Julia Poll Stefanie Bihlmayer Doreen Berner Dagmar Tscherko Wolfgang Armbruster Elke Dachtler Ingeborg HenningMüller räumliche Heterogenität - Kriging Karten AEG 2 6.68 6.99 4281 4933 Corg pH g N m-2 3.70 5.54 mmol MUF m-2 h-1 Xylosidase g N m-2 1.82 48.6 204 g N m-2 568 644 3.47 mmol MUF m-2 h-1 ß-Glucosidase g C m-2 152 187 Cmic 244 57.1 g C m-2 18.04 25.9 mmol MUF m-2 h-1 ß-N-acetylglucos. 25.8 g N m-2 37.6 Nmic 78.3 123.6 g N m-2 10.99 16.05 EN EOC Nt NO3- NH4+ 33.7 g C m-2 mmol MUF m-2 h-1 Phosphatase 168.8 g GE m-2 24 h-1 237.2 Xylanase 152.8 19.5 g N m-2 2 h-1 Urease 28.3 räumliche Heterogenität - Kriging Karten AEG 2 6.68 6.99 4281 4933 Corg pH g N m-2 3.70 5.54 mmol MUF m-2 h-1 Xylosidase g N m-2 1.82 48.6 204 g N m-2 568 644 3.47 mmol MUF m-2 h-1 ß-Glucosidase g C m-2 152 187 Cmic 244 57.1 g C m-2 18.04 25.9 mmol MUF m-2 h-1 ß-N-acetylglucos. 25.8 g N m-2 37.6 Nmic 78.3 123.6 g N m-2 10.99 16.05 EN EOC Nt NO3- NH4+ 33.7 g C m-2 mmol MUF m-2 h-1 Phosphatase 168.8 g GE m-2 24 h-1 237.2 Xylanase 152.8 19.5 g N m-2 2 h-1 Urease 28.3 räumliche Heterogenität - Kriging Karten – Corg Landnutzungsintensität pRange niedrig AEG 7 0.36 m AEG 9 AEG 8 6000 5000 mittel 6.58 m g C m-2 4000 3000 2000 AEG 5 AEG 4 1000 AEG 6 0 hoch AEG 1 AEG 2 3011 g Corg m-2 niedrig mittel hoch 2.12 m AEG 3 6101 niedrige Landnutzungsintensität hat die höchste räumliche Variabilität Geostatistik - pH - organischer Kohlenstoff (Corg) - Gesamt-Stickstoff (Nt) - extrahierbarer org. Kohlenstoff (EOC) - extrahierbarer Stickstoff (EN) - Ammonium (NH4+) volles Modell Berechnung verschiedener räumlicher Parameter (Nugget, pSill, pRange) für jede Landnutzungsintensität - Nitrat (NO3-) - mikrobielle Biomasse C (Cmic) - mikrobielle Biomasse N (Nmic) - Xylosidase - ß-Glucosidase - Xylanase - ß-N-acetylglucosaminidase - Phosphatase - Urease reduziertes Modell Funktionsgene: Nitratreduktase napA narG hohe LUI p-Range = 17.31 m p-Range = 25.20 m niedrige LUI p-Range = 17.31 m p-Range = 25.20 m napA und narG ähnlich verteilt und positiv korreliert, Räumliche Verteilung: Koexistenz oder gleiche Mikroorganismen Nitrat hohe LUI * 3,00 g-1 m-2 2,50 p-Range = 5.03 m 2,00 1,50 1,00 niedrige LUI 0,50 0,00 1 hohe LUI niedrige LUI p-Range = 5.17 m Signifikant mehr NO3- in hoher LUI, ähnliche räumliche Autokorrelation