Landnutzungsintensität als Treiber für die Struktur und Funktion biologischer Bodenkrusten III

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Ulf Karsten

Dr. Karin Glaser

Dr. Martin Albrecht

Prof. Dr. Peter Leinweber (assoz.)

Dr. Karen Baumann (assoz.)

(Uni Rostock)

Dr. Stefanie Schulz

Juliette Ohan

(Helmholtz Zentrum München)

Prof. Dr. Michael Schloter (assoz.)

Julia Kurth

(TU München)

Hintergrund

Biologische Bodenkrusten sind eine komplexe Gemeinschaft aus photosynthetisch aktiven Grünalgen, Cyanobakterien, Moosen und Flechten, heterotrophen Pilzen, Protozoen und Bakterien, die die obersten Millimeter des Bodens bedecken.
Die Organismengemeinschaft und ihre Exkretionsprodukte bilden ein Mikro-Ökosystem, dessen ökologische Funktion vor allem bei Pionierbesiedlung von offenen Böden von Bedeutung ist (z.B. Stickstofffixierung durch Cyanobakterien, Primärproduktion, Wasserretention, Stabilisierung der Bodenpartikel oder Bereitstellung pflanzenverfügbarer Nährstoffe).
Trotz ihrer wichtigen ökologischen Funktion sind Bodenkrusten häufig nur in ariden und semiariden Habitaten untersucht. In der ersten Phase fokussierten wir uns auf die Biodiversität in der Bodenkruste und ihre Funktion im biogeochemischen Kreislauf, vor allem in dem des Phosphors. In der zweiten Phase wurden diese Zusammenhänge detaillierter betrachtet. In der aktuellen Phase werden die räumliche Lokalisierung der Nährstoffumsetzung in den Biokrusten und das Potential von Biokrusten als Erstbesiedler nach Störungen des Waldökosystems untersucht.

 

Ziele

Wir wollen den Umsatz des Phosphors und Stickstoffs innerhalb der Bodenkrusten mit der Abundanz und Diversität der Gene verbinden, die für die N- und P-Transformationsprozesse codieren. Diese Daten werden dann mit der Struktur der Krustenorganismen verbunden und mit anderen mikrobiellen Hotspots verglichen wie der Rhizosphäre und Detritusphäre, um so das Verständnis für die Interaktionen zwischen allen Organismen in den Bodenkrusten aus den Waldplots der Exploratorien zu verstehen.
Eine Kombination aus Metagenomik und Fettsäureanalytik zur Aufklärung der Gemeinschaftsstruktur der Bakterien, Archaeen, Pilze, Cyanobakterien und Algen wird zum ersten Mal in taxonomischer Tiefe angewandt und evaluiert (Wer ist in welcher Anzahl präsent?). Des Weiteren kombinieren wir die Anwendung von stabilen Isotopen zur Identifikation von Nährstoffhotspots in der Biokruste mit Transkriptanalysen von Mikroorganismen, die am N und P Kreislauf beteiligt sind (Wo passiert was?).
Weiterhin wird die funktionelle Zusammensetzung der Bodenkrustengemeinschaft nach Störung des Waldökosystems durch Baumfällarbeiten untersucht. Das Erholungspotential der Bodenkrusten wird zur Bearbeitungsintensität des Waldes, der Diversität der Bodenkrustengemeinschaft und der Biogeochemie von N und P in Bezug gesetzt. Die Konzentration und chemische Speziierung dieser Elemente geben Aufschluss, ob die Bodenkruste eine Quelle oder Senke für P- und N-Komponenten nach einer Störung ist. (Wer macht was?).

 

Hypothesen


1. Biokrustengemeinschaften spielen eine zentrale Rolle bei der Verknüpfung von C, N und P Kreisläufen im Wald; insbesondere für die Transformation von der mineralischen zur organischen Fraktion im biogeochemischen Kreislauf des Phosphors und Stickstoffs.

2. Mikroorganismen in Biokrusten nutzen vorwiegend organische Stickstoffquellen. Eine erhöhte Stickstoffverfügbarkeit führt zu einer gleichzeitigen Mobilisierung von Phosphor, um die intrazelluläre Stöchiometrie von N und P aufrecht zu erhalten.

3. Die funktionelle Zusammensetzung der Biokrustengemeinschaft wird eher durch standortspezifische Unterschiede beeinflusst als den Grad der Störung. Die Erholung nach einer Störung erfolgt schneller an Standorten mit niedriger Bearbeitungsintensität.

4. Die funktionelle Zusammensetzung der Biokrustengemeinschaft unterscheidet sich von anderen mikrobieller Hotspots wie der Rhizosphäre oder Detritusphäre.

 

Methoden

  • Metagenomische und transkriptomische Analysen
  • Ampliconsequenzierung von 16S rRNA und 18S rRNA Genen
  • qPCR für spezifische Gene des N- und P-Kreislaufes
  • Fettsäureanalytik
  • Quantifizierung der Gesamt C-, N- und P-Gehalte
  • NanoSIMS und stabile Isotope

 

 

Projekt in vorigen Phasen

Vergangene Projektbeteiligung von Prof. Dr. Ulf Karsten: Soilcrust
Vergangene Projektbeteiligung von Karin Glaser: ACTIFLAG

Weitere Projektbeteiligung von Prof. Dr. Michael Schloter: KiWion, MicroBEEs
Vergangene Projektbeteiligung von Prof. Dr. Michael Schloter: INDILAP, InDiLaNi, ForNit

Vergangene Projektbeteiligung von Dr. Stefanie Schulz: ForNit

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