Microbial Activity ̶ Indicators & Drivers

Abstract

Biota des Kohlenstoffkreislaufs spielen bei der Speicherung und Verteilung des Kohlen-stoffs im Bodennahrungsnetz eine herausragende Rolle. Wobei der Abbau organischer Bodensubstanz stark von deren Verfügbarkeit für Mikroorganismen und Enzyme abhängt. Rhizosphäre und Detritusphäre verfügen über außerordentlich große Mengen an organischem Kohlenstoff. Dies macht diese Biosphären zu Hot-Spots mikrobieller Aktivität. Während der letzten Jahrzehnte stieg das Interesse an der Forschung zu mikrobieller Aktivität im Boden. Dennoch herrscht noch immer kein umfassendes Verständinis von Indikatoren und Triebkräften mikrobieller Aktivität in der Rhizosphäre und Detritusphäre. Dies ist nicht zuletzt der Tatsache geschuldet, dass es mehr als einer einzigen Methode zur Bestimmung dieser Faktoren bedarf. Aus diesem Grund setzt sich diese Arbeit zum Ziel, die mikrobielle Aktivität, ihre Indikatoren und Treiber zu explorieren. Folglich wurden diverse Indikatoren mikrobieller Aktivität, wie mikrobielle Respiration, mikrobielle Biomasse und Enzymkinetik, an Proben aus einem Feldexperiment mit diffe-rierendem Substrat-Eintrag (Mais-Rhizodeposite vs. Mais-Streu) ermittelt. Tiefengradienten der Indikatoren mikrobieller Aktivität dienten der Beurteilung der Auswirkungen sinkender Substratqualität und -quantität in Rhizo- und Detritusphäre mit zunehmender Bodentiefe. Besonderer Fokus lag dabei auf den Indizes unterschiedlicher Enzyme und deren Aktivität (z. B. spezifische Aktivität, katalytische Effizienz und Verhältnisse zwischen Enzymen des Kohlenstoff- und Stickstoff-Kreislaufs) im Tiefenprofil des Bodens. Neben dieser Feldstudie wurde das Verhältinis von RNA zu dsDNA als Indikator mikrobieller Aktivität entlang eines klimatischen Grandienten ermittelt, um den metabolischen Status innerhalb unterschiedlicher Bodentypen zu bestimmen. Die Feldstudien wurden um Experimente in Labor und Gewächshaus ergänzt, in denen mittels Isoto-penmarkierungsverfahren die Effekte von Wurzelhaaren und Protisten auf die mikrobielle Aktivität beleuchtet wurden. Diese Methode ermöglichte ein Nachvollziehen des C- und N-Flusses und trug damit zum Verständnis der Verflechtungen der Organismen im terrestrischen Boden-Nahrungsnetz bei. Die räumliche Verteilung der Enzymaktivität in der Rhizosphäre wurde anhand der Boden-Zymographie in situ untersucht. Durch unterschiedliche Substratverfügbarkeit wurde ein Wandel der funktionellen Eigenschaften der Mikroorganismengemeinschaften und des enzymatischen Systems induziert. Speziell der durchwurzelte Oberbodenhorizont zeigte einen Anstieg der mikro-biellen Aktivität im Vergleich zum Boden mit Streueintrag und der Kontrolle. Rhizodeposite sind eine grundlegende Kohlenstoff- und Energiequelle für Bodenmikroorganismen und stimulieren deren Wachstum und Aktivität. Die Präsenz von Rhizodepositen in Hot-Spots macht diese zu bevorzugten Habitaten für Mikroorganismen. Die Mehrzahl der Indikatoren für mikrobielle Aktivität wurde ausschließlich im Oberboden durch den Substrateintrag beeinflusst. Darunter auch die katalytische Effizienz, die – ungeachtet des Substrateintrags – von Oberboden (< 40 cm) zu Unterboden (> 40 cm) um das 2- bis 20-fache abnahm. Dies ließ auf die Relevanz der mit der Tiefe abnehmenden Menge und Qualität der Substrate im Boden als einflussnehmenden Faktor auf die mikrobielle Aktivität schließen. Das Verhältnis von RNA zu dsDNA spiegelte den metabolischen Status der mikrobiellen Organismengesellschaften in den meisten der beprobten Böden wider. Wohingegen das RNA:dsDNA Verhältnis dieser Indikatoreigenschaft widersprach, lagen erhöhte Tongehalte vor, die nach der Extraktion zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der RNA-Quantität führten. Protozoen wird beim Vorgang des Kohlenstoffflusses von Bakterien zu Organismen höherer Trophieebenen eine bedeutende Rolle zugesprochen, was ebenfalls ihren Einfluss auf die mikrobielle Aktivität im Boden unterstreicht. Um diesen Effekten, im Speziellen jenen der Acanthoamoebe auf den Kohlenstoff- und Stickstofffluss, sowie die Indikatoren mikrobieller Aktivität in der Rhizo- und Detritusphäre nachzugehen, wurde ein dreifaches Isotopenmarkierungs-Experiment durchgeführt. Es ergab, dass Kohlenstoffflüsse und Enzymaktivitäten sowohl von Substrateintrag als auch Substratqualität in Rhizo- wie Detritusphäre sowie deren faunistischer Besiedlung abhängen. Daraus erschloss sich, dass die Besiedlung mit Acanthamoeben als potenzielle Triebkraft mikrobieller Aktivität, besonders innerhalb der Rhizosphäre, gedeutet werden kann. Um den Einfluss von Wurzelhaaren auf die mikrobielle Aktivität und den Priming Effekt in der Rhizosphäre einzuschätzen, wurde ein Experiment im Gewächshaus mit kontinuierlicher Markierung von Boden mit Pflanzenbewuchs und einer Kontrolle ohne Bewuchs mit 13C-Isotopen durchgeführt. Wurzelhaare zeigten sich darin als Initiatoren eines positiven Rhizosphären-Priming Effektes während der Wachstumsphase, wohingegen der Abbau organischer Bodensubstanz in den Kontrollen gehemmt war. Im Falle der positiven Initialwirkung der Wurzelhaare stiegen zudem die Enzymaktivitäten von Chitinase und ß-Xylosidase an, was auf eine Zersetzung stabiler, organischer Bodensubstanz hinwies. Damit konnte ein deutlicher Effekt von Wurzelhaaren auf die mikrobielle Aktivität im Boden während der Phase des Pflanzenwachtums nachgewiesen werden. Somit vermittelt diese Arbeit ein weiterführendes Verständnis der auf mikrobielle Aktivität im Boden einwirkenden Faktoren und stellt eine Auswahl von Indikatoren zur Charakterisierung dieser Aktivität vor, die sowohl auf der Landschaftsebene als auch in der prozessorientierten Forschung im Wurzelraum Anwendung finden kann.