Laufende Forschungsprojekte

Teilprojekt 2: Diversität und Aktivität von Bodenorganismengemeinschaften als Indikatoren für nachhaltige Landnutzung

BonaRes-SIGNAL gefördert durch BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung)

Laufzeit: 01.09.2021 - 31.08.2024
Bearbeiter: M.Sc. Festus Tetteh Attor
Leitung:  PD Dr. Christine Wachendorf
Universität Kassel, Fachgebiet für Bodenbiologie und Pflanzenernährung

Koordination des Verbundprojektes: Prof. Dr. Edzo Veldkamp, Ökopedologie der Tropen und Subtropen und Ökopedologie der gemäßigten Zonen: Universität Göttingen
 

Die Biozönose steuert die Mineralisierung der organischen Substanz und beeinflusst die Menge pflanzenverfügbarer Nährstoffe und die Kohlenstoffspeicherung im Boden. Sie beeinflusst die Effizienz der Umwandlung der Pflanzenreste und somit die Höhe der C- Sequestrierung und Mineralisierung. Die mikrobielle Kohlenstoffnutzungs-effizienz ist ein geeigneter Indikator für Management und Landnutzungseffekte auf die C- Sequestrierung in Böden. Diese Messgröße wird wesentlich durch den Bedarf an Kohlenstoff und Nährstoffen für den Erhaltungsbedarf und Wachstum der mikrobiellen Biomasse beeinflusst, die wiederum von der Stöchiometrie der mikrobiellen Biomasse (C:N:P-Verhältnisse), der Zusammensetzung der mikrobiellen Population und abiotischen Bodenfaktoren abhängig ist.

Das Ziel unsere Untersuchungen ist es daher, die Kohlenstoffnutzungseffizienz, die Stöchiometrie der mikrobiellen Biomasse und limitierende Elemente im Boden zu untersuchen, welche nötig sind, um die Stabilisation und Mineralisation der organischen Substanz in Alley cropping-systemen temperierter Klimate vorherzusagen.

Laufzeit: 01.04.2021 - 31.03.2024
Bearbeiter: Tábata Bublitz
Leitung:  Prof. Dr. Rainer Georg Jörgensen
Universität Kassel, Fachgebiet für Bodenbiologie und Pflanzenernährung

Der Klimawandel übt substanziellen Druck auf die Biodiversität der Erde und eine Vielzahl von deren Ökosystemdienstleistungen aus. Das ist besonders problematisch für Agroökosysteme, wo die beschleunigte Geschwindigkeit des Klimawandels und dessen vielfältige Interaktionen mit anderen Treibern direkt die globale Nahrungsmittelproduktion bedroht. Die Nachhaltigkeits-Entwicklungs- Vorgaben und die Aichi-Biodiversitäts-Ziele des Strategischen Plans für Biodiversität 2011-2020 möchten die Auswirkungen von Klimawandel und nicht-nachhaltigem Management auf die Biodiversität in Agroökosystemen quantifizieren und mildern. Das Erreichen dieser Ziele kann durch die maximale Nutzung von mikrobiellen Funktionen unterstützt werden. Diese verbessern das Wachstum, die Nährstoffnutzungseffizienz, die abiotische Stressresilienz und die Krankheitsresistenz von Kulturpflanzen, wodurch die Menge an externen Inputs wie Düngemitteln und Pestiziden reduziert werden kann. Allerdings ist die Relevanz des Klimawandels für mikrobielle Diversität und deren Ökosystemdienstleistungen unzureichend verstanden. Das geplante Projekt MICROSERVICES hat daher zum Ziel, mit einem Multi-Domänenansatz die Auswirkungen des Klimawandels auf das Kulturpflanzen-Mikrobiom und auf die Ökosystemfunktionen bei verschiedenen landwirtschaftlichen Managementsystemen zu untersuchen. Das wird die Fähigkeit verbessern, die Auswirkungen des Klimawandels auf die Biodiversität von Böden und deren stufenförmigen Interaktionen mit der Multifunktionalität von Agroökosystemen vorherzusagen. Dazu werden Veränderungen in der mikrobiellen Diversität, in den Kulturpflanzen-Mikrobiom-Interaktionen und der assoziierten Ökosystem-Multifunktionalität gemessen. Dieses geschieht (1) entlang eines natürlichen europäischen Klimagradienten über verschiedene Managementsysteme und zukünftige Klimaentwicklungen sowie (2) mit einem in-situ Freiland-Manipulationsexperiment von Dürreperioden unter konventionellen und organischen Managementsystemen. Regionale Klimamodelle aus Erdobservationsdaten werden mit Maschinenlern-Algorithmen gekoppelt, um durch enge Korrelationen die Konsequenzen zukünftiger Klimaszenarien zu ermitteln. MICROSERVICES wird die gegenwärtigen strategische Pläne folgendermaßen unterstützen: (1) durch Liefern der wissenschaftlichen Nachweise über die Auswirkungen der zukünftigen Klimaveränderungen auf die mikrobielle Diversität und deren assoziierte Ökosystemdienstleistungen, (2) durch Steigern der politischen und öffentlichen Wahrnehmung der Bedeutung von mikrobieller Diversität für nachhaltige landwirtschaftliche Produktion unter zukünftigen Klimabedingungen und (3) durch Ausbauen der Interaktionen zwischen Forschungseinrichtungen, landwirtschaftlichen Interesseneignern und Politikern, um die Bedeutung der mikrobielle Diversität in den andauernden politischen Debatten um Klimamaßnahmen (post Paris-Abkommen) und Biodiversitätsschutz (post-2020 Globaler Biodiversitäts-Rahmenplan) klar zu machen.

Galactosamine kann als Indikator für mikrobielle extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) genutzt werden, eine wichtige Quelle von organischer Substanz in Ackerböden

Laufzeit: 01.05.2022 - 30.04.2025
Bearbeiter: Rebeca Leme Oliva
Leitung:  Prof. Dr. Rainer Georg Jörgensen
Universität Kassel, Fachgebiet für Bodenbiologie und Pflanzenernährung

Vier Experimente bilden eine konsekutives Programm zum Aufklären der Rolle von EPS (extrazelluläre polymere Substanzen) in landwirtschaftlichen Böden auf der Basis von folgenden beiden zentralen Hypothesen: (1) EPS sind ein wichtiger Bestandteil von mikrobieller Nekromasse, die sich aus Böden mit Kationen-Austausch-Harzen (CER) extrahieren lässt. (2) GalN (Galaktosamin) ist ein Indikator für mikrobielle EPS in Böden. Im ersten Experiment wird die mikrobielle EPS-Bildung durch das Kultivieren von Bodenbakterien und Bodenpilze untersucht. Dabei dienen Glycerol und Stärke als C-Quelle und die Mikroorganismen werden in Abwesenheit oder Gegenwart von organische Substanz (OS) freiem sterilen Sand angezogen. Im zweiten Experiment, werden einfache (Glycerol oder mais-bürtige Stärke) und komplexe (mais-bürtige Cellulose oder Maisstroh) ¹³C-markierte Substrate werden auf ihre Fähigkeit getestet, bakterielle und pilzliche EPS in vier Böden zu bilden, die sich im Pilz/Bakterien-Verhältnis aufgrund des Boden-pH-Werts oder aufgrund der Düngungsgeschichte unterscheiden. Im dritten Experiment werden Glucose- und Cellulose-Abbau gemessen, um die Kohlenstoff-Nutzungs-Effizienz (CUE) und thermodynamische Effizienz in zwei Böden zu erfassen, die sich im Pilz/Bakterien-Verhältnis aufgrund der Düngungsgeschichte oder aufgrund der Abwesenheit oder Gegenwart von EPS unterscheiden. Im vierten Experiment wird die mikrobielle EPS-Bildung durch die Zugabe eines einfachen und leicht verfügbaren Substrats (mais-bürtige Stärke), welches die bakterielle EPS-Bildung fördert sowie eines mehr abbau-resistenten Substrats (mais-bürtige Cellulose), welches die pilzliche EPS-Bildung fördert. Beständigkeit und aggregat-stabilisierende Effekte von frisch gebildeten EPS wird dann für 70 Tage verfolgt. Das C/N-Verhältnis der Substrate wird generell auf 40 eingestellt, in Experiment 1 mit (NH₄)₂SO₄ und in den Experiment 2, 3 und 4 mit (¹⁵NH₄)₂SO₄. In allenExperimenten werden die mit CER extrahierten EPS auf ihre Aminozucker-Konzentration untersucht, kombiniert mit deren komponenten-spezifischer δ¹³C- and δ¹³N-Analyse. EPS Extrakte werden zusätzlich auf ¹³C und δ¹⁵N in organischer Substanz, Gesamt-Kohlenhydrate, Gesamt-Protein und Gesamt-DNA geprüft. Im Boden werden ¹³C in organischer Substanz und mikrobieller Biomasse (MB), total ¹⁵N und MB¹⁵N sowie Enzym-Aktivität (N-Acetyl-b-D-Glucosaminidase und Tyrosin-Peptidase) gemessen. Weiterhin werden Aminozucker bestimmt, kombiniert mit deren komponenten-spezifische δ¹³C- und δ¹³N-Analyse. In der Bodenatmosphäre wird die Produktion von Gesamt-CO₂ und ¹³CO₂ gemessen. In Experiment 3 wird zusätzlich die Wärmeproduktion mit Hilfe der Mikrokalorimetrie gemessen.

Laufzeit: 2017 bis 2020

Bearbeiter: Moran Rodas, Virna Estefania

Microorganisms control many ecosystem functions such as decomposition of soil organic matter (SOM), nutrient provision, and carbon sequestration. However, functions of soil microorganisms in tropical agroecosystems have been poorly studied so far Even less is known on spatially explicit and systematic dynamics of soil organic carbon (SOC) content and related microbial activity in a quickly changing rural-urban ecosystem. The present proposal builds on experimental infrastructure established by FOR2432. It takes advantage of the on-farm study sites and the factorial on-station experiment at the University of Agricultural Sciences Bangalore (UASB) in which effects of management intensity on key agronomic variables are examined. The interaction between abiotic soil properties and their microbial activity, however, is missing in FOR2432´s analysis of rural-urban transformation effects. This project aims at filling this gap by contributing to the central question: “How does urban expansion affect the ability of soils to provide ecosystem services related to soil quality which are mediated by microorganisms?”

The effect of water and nutrient management on microbial activity and pools will be determined by analyzing indices for microbial activity and microbial biomass stoichiometry of carbon, nitrogen, phosphorous, and sulfur in the upper soil layer. Spatial variability of significant organic matter pools, such as soil respiration and litter decomposition will be determined and evaluated by modelling the influence of physical and chemical soil properties, as well as interactions with plant biomass determined in FOR2432.

BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung)

Laufzeit:01.07.2015 bis 30.06.2018

Bearbeiter: M.Sc. R. Beuschel, PD Dr. M. Potthoff und Dr. Ch. Wachendorf

Koorperatiospartner: Ökopedologie der Tropen und Subtropen und Ökopedologie der gemäßigten Zonen der Universität Göttingen

Teilprojekt des Verbundprojekts BonaRes-SIGNAL: Nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft durch Agroforstsysteme
Weitere Informationen zum Verbundprojekt BonaRes-SIGNAL sowie die englische Version des Textes unter:
http://www.signal.uni-goettingen.de/

Die Bewertung der Bodenfruchtbarkeit stellt eine gewaltige Aufgabe dar, da eine Evaluierung geeigneter, auf unterschiedliche Böden anwendbarer Methoden, fehlt. Agroforstsysteme beeinflussen durch Veränderungen des Mikroklimas sowie des Bodenwasserhaushalts und C-Inputs auf direkte Weise das Bodenmilieu. Folglich besitzt die Gegenwart von Bäumen in Agroökosystemen eine Auswirkung auf von Bodenorganismen herbeigeführte Ökosystemleistungen, wie den Abbau organischer Substanz, die Nährstoffversorgung und C-Sequestrierung.  Dennoch wurden bis dato derartige Einflüsse auf die mikrobielle Aktivität und Regenwurmaktivität sowie die Variation in Raum und Zeit kaum untersucht. Weiterhin besitzt die Pflanzendiversität nützliche Effekte für die Ökosystemstabilität. Trotzdem wird derzeit noch stark über die Beziehung zwischen ober- und unterirdischer Diversität diskutiert und über die Verbindungen zwischen der Diversität von Bodenmikroorganismen und deren Funktionen ist nur wenig bekannt. 
Deshalb wird postuliert, dass die Distanz von der Baumreihe sowie die Pflanzendiversität - je nach Dynamik der abiotischen (z.B. Bodenwassergehalt, pH) und biotischen Faktoren (z.B. Qualität und Quantität der Streu und Wurzelexsudate) - die Aktivität und funktionale Diversität von Bodenmikroorgansimen beeinflusst. Das Ziel der Studie ist es, in Agroforststandorten mit Ackerbau und Grünlandnutzung die räumliche Heterogenität der Bodenmikroorganismen zu identifizieren. Dafür werden in Agroforstsystemen in unterschiedlichen Entfernungen von der Baumreihe sowie auf Referenzflächen ohne Bäume Bodenproben im Oberboden entnommen und hinsichtlich mikrobieller Aktivität (Basalrespiration, physiologische Charakterisierung von mikrobiellen Gemeinschaften durch Substrat-induzierte Respiration und Enzymaktivität) sowie mikrobieller Biomasse (C und N) und mikrobieller Überreste (Aminozucker) untersucht. Darüber hinaus wird an verschiedenen Standorten durch die Bestimmung von Regenwurmabundanz und  -biomasse der Einfluss der Bäume auf die Bodenfauna bewertet. Weiterhin wird durch Boden-Streubeutelexperimente mit 13C und 15N markierten Weidenblättern die Variation des Streuabbaus und -umbaus in Abhängigkeit der Entfernung zur Baumreihe untersucht. Die Ergebnisse sollen helfen, die Bodenmikroorganismen, die Ökosystemleistungen erbringen, als Faktoren für nachhaltige Nahrungsproduktion einzuschätzen. Es wird davon ausgegangen, dass sich Veränderungen in abiotischen und biotischen Faktoren - hervorgerufen durch unterschiedliche Entfernungen von den Bäumen - in der mikrobiellen Aktivität, Regenwurmaktivität sowie im Streuabbau widerspiegeln. Die Studie erfasst durch die Kombination vielfältiger Methoden schnelle und langsame Umsetzungsprozesse und stellt einen umfassenden Ansatz für die Bewertung bodenmikrobiologischer Indikatoren und Regenwurmaktivität dar.