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Ein zentrales Ziel der mikrobiellen Ökologie und Biogeographie ist es, Faktoren zu quantifizieren, die die Variation der mikrobiellen Abundanz und Diversität in den verschiedenen Ökosystemen erklären. Im Vergleich zu aquatischen Systemen sind Böden besonders heterogen. Bodenheterogenität resultiert aus dem Zusammenspiel einer hierarchischen Reihe von miteinander verbundenen Variablen, die auf vielen verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen fluktuieren. Während die räumliche Abhängigkeit chemischer und physikalischer Bodeneigenschaften auf Skalen von Dezimetern bis zu mehreren hundert Metern gut bekannt ist, ist die räumliche Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften weniger klar.


Das Ziel unserer Projektphase 2008-2011 war es, die räumliche Verteilung von Bodenbakterien, die genetische Struktur von Bakterienpopulationen und deren Funktionen auf Grünlandparzellen mit unterschiedlicher Landnutzungsintensität zu klären. Die Versuchsflächen der Biodiversitätsexploratorien bieten die Möglichkeit, den Einfluss einer breiten Palette von Landnutzungsintensitäten auf mikrobielle Populationen und funktionelle Diversität in drei klimatisch und geologisch unterschiedlichen Regionen Deutschlands zu untersuchen. Das spezifische Ziel war es, zu testen, ob die Landnutzungsintensität die Abundanz und die in situ Aktivität von Denitrifikanten verändert. Die Analyse der funktionellen Genabundanzen (narG, nirK, nirS, nosZ) half zu verstehen, welcher Anteil der Gemeinschaft der Denitrifikanten Gene besitzt, die für alle Reduktionsschritte kodieren und welcher Anteil einen verkürzten Weg mit NO und N2O als Endprodukte hat.


Wir nahmen an, dass sich die Heterogenität des Bodens und damit die Diversität der mikrobiellen Lebensräume bei langfristigen Unterschieden im Düngereintrag und in der Mähpraxis der Grünlandflächen verändert. Wir stellen die Hypothese auf, dass eine zunehmende Landnutzungsintensität
i) die räumliche Heterogenität mikrobieller Prozesse verringert, indem sie die Diversität der Mikrohabitate im Boden (z.B. nährstoffarme gegenüber nährstoffreichen Nischen) und die Pflanzendiversität vermindert und
ii) die Dichte und Aktivität von Schlüsselakteuren, die am N-Zyklus beteiligt sind, verändert.


Wir wählten Grünlandstandorte mit niedriger (ungedüngte Weiden), mittlerer (gedüngte, gemähte Weiden) und hoher (gedüngte, gemähte Wiesen) Landnutzungsintensität (LUI) aus, um den Einfluss der Landnutzungsintensität auf räumliche Muster der mikrobiellen Bodeneigenschaften zu untersuchen. Wir verwendeten einen geostatistischen Ansatz mit replizierten Standorten (n = 3), die drei LUI-Klassen umfassten, was uns eine geostatistische Analyse der ermittelten räumlichen Parameter ermöglichte. An jedem der Grünlandstandorte wurden Bodenkerne aus 0 bis 10 cm Tiefe entnommen. Die Proben wurden von einer Gesamtfläche von 10 x10 m pro Standort entnommen. Ein Raster mit 2,5 m Abstand wurde über jeden Standort gelegt und Bodenproben wurden von jedem Rasterpunkt aus genommen. Räumlich randomisierte Probenahmeabstände, beginnend von jedem Rasterpunkt und abnehmend von 150, 100, 50, 25 bis 12,5 cm, ergaben 54 Bodenkerne pro Standort für Laboranalysen. Wir maßen die mikrobielle Biomasse, Enzyme, die am C-, N- und P-Kreislauf beteiligt sind, sowie verschiedene bodenphysikalische und chemische Eigenschaften (z. B. Lagerungsdichte, pH-Wert, Gehalt an organischem Kohlenstoff und mineralischem N im Boden), von denen bekannt ist, dass sie die mikrobielle Aktivität regulieren (Berner et al. 2011). An den Standorten mit niedriger und hoher Landnutzungsintensität bestimmten wir außerdem mit Hilfe der qPCR-Methode die Abundanz von Genen, die am N-Zyklus beteiligt sind, (amoA, archaeale und bakterielle Ammoniak-Monooxygenase, die auf spezifische Schritte der Nitrifikanten abzielt, sowie napA, narG, nirK, nirS und nosZ, die auf verschiedene Prozesse abzielen, die von Denitrifikanten durchgeführt werden) (Keil et al. 2011).

Beprobungsraster an 9 Zentralpunkten
Beprobungschema der Distanzklassenproben

Chemische Bodeneigenschaften (z. B. Corg, Nt, pH) waren durch einen praktischen Bereich (pRange) zwischen 1 und 14 m gekennzeichnet, während die mikrobiologischen Bodeneigenschaften eine größere Variation der pRanges aufwiesen, was Hinweise auf räumliche Heterogenität auf mehreren Skalen liefert (Berner et al. 2011). Die erwartete Abnahme der kleinräumigen Heterogenität bei hohem LUI konnte für die mikrobiologischen Bodeneigenschaften nicht bestätigt werden, da die Probenahme im zeitigen Frühjahr den Einfluss wachsender Pflanzen und der Düngung reduziert haben könnte. Allerdings war die mikrobielle Biomasse in hohen LUI signifikant größer, was darauf hindeutet, dass der Nutzen für die mikrobiellen Bodenpopulationen aus der langfristigen Erhöhung der Substrat- und Nährstoffverfügbarkeit in gedüngtem Grünland unabhängig von Faktoren ist, die die räumlichen Strukturen kurzfristig beeinflussen.

Die räumlichen Autokorrelationen der verschiedenen am N-Kreislauf beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften reichten von 1,4 bis 7,6 m für Ammoniakoxidierer und von 0,3 m für Denitrifizierer vom Typ nosZ bis zu Skalen von 414 m für Denitrifizierer vom Typ nirK (Keil et al. 2011). Die räumliche Heterogenität von Ammoniakoxidierern und Denitrifikanten vom nirS-Typ nahm bei hohem LUI zu, aber bei den biogeochemischen Eigenschaften ab, was darauf hindeutet, dass andere biotische und/oder abiotische Faktoren als die gemessenen die räumliche Verteilung dieser Mikroorganismen auf der Plotskala bestimmen. Darüber hinaus zeigten Ammoniakoxidierer (amoA ammoniakoxidierende Archaeen und amoA ammoniakoxidierende Bakterien) und Nitratreduzierer (napA und narG) eine räumliche Koexistenz, während eine Nischenaufteilung zwischen nirK– und nirS-Typ-Denitrifikanten gefunden wurde. Wir konnten durch die räumlichen Analysen verschiedene Verbreitungsbereiche identifizieren, die auf die Koexistenz oder Nischenaufteilung am N-Kreislauf beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften in Grünlandböden hinweisen.


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Einfluss der Landnutzungsintensität auf die mikrobielle Bio-masse von Grünlandböden
Bauer C. (2018): Einfluss der Landnutzungsintensität auf die mikrobielle Bio-masse von Grünlandböden. Bachelor thesis, University Hohenheim
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Die Landnutzungsintensität verändert die räumliche Verteilung und Funktion von Bodenmikroorganismen im Grünland
Berner D., Marhan S., Keil D., Schützenmeister A., Piepho H.-P., Poll C., Kandeler E. (2010): Land-Use Intensity Modifies Spatial Distribution and Function of Soil Microorganisms in Grasslands. Pedobiologia 54 (5-6), 341-351. doi:10.1016/j.pedobi.2011.08.001
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Impact of soil disturbance on microorganisms in differently managed grassland soils linked to the ecosystem resilience
Binder I. (2016): Impact of soil disturbance on microorganisms in differently managed grassland soils linked to the ecosystem resilience. Master thesis, University Hohenheim
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Räumliche und zeitliche Variationen von Mikroorganismen in Grünlandböden - Einflüsse von Landnutzungsintensität, Pflanzen und Bodeneigenschaften
Boeddinghaus R. S. (2019): Spatial and temporal variations of microorganisms in grassland soils - influences of land-use intensity, plants and soil properties. Dissertation, University Hohenheim
Mehr Informationen:  opus.uni-hohenheim.de
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Veränderungen von funktionellen Pflanzeneigenschaften erklären parallele Veränderungen in der Struktur und Funktion mikrobieller Gemeinschaften in Grünlandböden
Boeddinghaus R. S., Marhan S., Berner D., Boch S., Fischer M., Hölzel N., Kattge J., Klaus V. H., Kleinebecker T., Oelmann Y., Prati D., Schäfer D., Schöning I., Schrumpf M., Sorkau E., Kandeler E., Manning P. (2019): Plant functional trait shifts explain concurrent changes in the structure and function of grassland soil microbial communities. Journal of Ecology 107 (5), 2197-2210. doi: 10.1111/1365-2745.13182
Mehr Informationen:  doi.org
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Boeddinghaus R. S., Marhan S., Gebala A., Haslwimmer H., Vieira S., Sikorski J., Overmann J., Soares M., Rousk J., Rennert T., Kandeler E. (2021): The Mineralosphere – Interactive zone for microbial colonization and carbon use in grassland soils. Biology and Fertility of Soils 57, 587–601. doi: 10.1007/s00374-021-01551-7
Mehr Informationen:  doi.org
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Gibt es allgemeine räumliche Verteilungsmuster von mikrobieller Biomasse und Enzymaktivitäten in Grünlandböden?
Boeddinghaus R. S., Nunan N., Berner D., Marhan S., Kandeler E. (2015): Do general spatial relationships for microbial biomass and soil enzyme activities exist in temperate grassland soils? Soil Biology & Biochemistry 88, 430-440. doi: 10.1016/j.soilbio.2015.05.026
Mehr Informationen:  doi.org
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Einfluss der Landnutzungsintensität auf die mikrobielle Biomasse und Enzymaktivitäten im Rhizosphärenboden verschiedener Grünlandpflanzenarten
Boob M. (2015): Einfluss der Landnutzungsintensität auf die mikrobielle Biomasse und Enzymaktivitäten im Rhizosphärenboden verschiedener Grünlandpflanzenarten. Master thesis, Universität Hohenheim
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Einfluss von Landnutzungsintensität auf Mikroorganismen in Grünlandböden der Schwäbischen Alb
Breuer B.S. (2008): Einfluss von Landnutzungsintensität auf Mikroorganismen in Grünlandböden der Schwäbischen Alb. Bachelor Thesis, University Hohenheim
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Fiore-Donno A. M., Richter-Heitmann T., Degrune F., Dumack K., Regan K. M., Mahran S., Boeddinghaus R. S., Rillig M. C., Friedrich M. W., Kandeler E., Bonkowski M. (2019): Functional Traits and Spatio-Temporal Structure of a Major Group of Soil Protists (Rhizaria: Cercozoa) in a Temperate Grassland. Frontiers in Microbiology 10:1654. doi: 10.3389/fmicb.2019.01654
Mehr Informationen:  doi.org
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Räumliche Heterogenität mikrobieller Enzymaktivitäten in Grünlandböden der Schwäbischen Alb
Glatzle S.(2008): Räumliche Heterogenität mikrobieller Enzymaktivitäten in Grünlandböden der Schwäbischen Alb. Bachelor thesis, University Hohenheim
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Goldmann K., Boeddinghaus R. S., Klemmer S., Regan K. M., Heintz-Buschart A., Fischer M., Prati D., Piepho H.-P., Berner D., Marhan S., Kandeler E., Buscot F., Wubet T. (2020): Unraveling spatio‐temporal variability of arbuscular mycorrhiza fungi in a temperate grassland plot. Environmental Microbiology 22 (3), 873-888. doi: 10.1111/1462-2920.14653
Mehr Informationen:  doi.org
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Die Mineralosphäre – Sukzession und Physiologie von Bakterien und Pilzen während der Besiedlung reiner Minerale in Grünlandböden mit unterschiedlicher Landnutzungsintensität
Kandeler E., Gebala A., Boeddinghaus R. S., Müller K., Rennert T., Soares M., Rousk J., Marhan S. (2019): The mineralosphere – Succession and physiology of bacteria and fungi colonising pristine minerals in grassland soils under different land-use intensities. Soil Biology and Biochemistry 136: 107534. doi: 10.1016/j.soilbio.2019.107534
Mehr Informationen:  doi.org
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Einfluss von Landnutzung auf Abundanz, Funktion und räumliche Verteilung von N-umsetzenden Mikroorganismen in Grünlandböden
Keil D. (2015): Influence of land use on abundance, function and spatial distribution of N-cycling microorganisms in grassland soils. Dissertation, University of Hohenheim
Mehr Informationen:  opus.uni-hohenheim.de
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Einfluss von Landnutzungsintensität auf die räumliche Verteilung Stickstoff umsetzender Mikroorganismen in Grünlandböden
Keil D., Meyer A., Berner D., Poll A., Schützenmeister A., Piepho H.-P., Vlasenko A., Philippot L., Schloter M., Kandeler E., Marhan S. (2011): Influence of land-use intensity on spatial distribution of N-cycling microorganisms in grassland soils . FEMS Microbiology Ecology 77 (1), 95-106. doi: 10.1111/j.1574-6941.2011.01091.x
Mehr Informationen:  doi.org
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Einfluss von Temperaturerhöhung und Dürre auf Lachgasemissionen und die Häufigkeit von denitrifizierenden Bakterien in Grünlandböden mit unterschiedlicher Landnutzungsintensität
Keil D., Niklaus P. A., von Riedmatten L. R., Boeddinghaus R. S., Dormann K. F., Scherer-Lorenzen M., Kandeler E., Marhan S. (2015): Effects of warming and drought on potential N2O emissions and denitrifying bacteria abundance in grasslands with different land use. FEMS Microbiology Ecology 91(7), pii: fiv066. doi: 10.1093/femsec/fiv066
Mehr Informationen:  doi.org
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Long-term effects of disturbance and seed addition on soil microbial biomass in grassland with high and low land-use intensity
Langzeit Effect von Störung und Ansaat auf die mikrobielle Biomasse in Grünlandböden mit hoher und niedriger Landnutzungsintensität
Lang K. (2018): Long-term effects of disturbance and seed addition on soil microbial biomass in grassland with high and low land-use intensity. Bachelor thesis, University Hohenheim
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Eine neue Methode (midDRIFTS basierte Spektroskopie) erlaubt die schnelle und kostengünstige Vorhersage von mikrobieller Biomasse und Aktivität in Grünlandböden
Rasche F., Marhan S., Berner D., Keil D., Kandeler E., Cadisch G. (2013): midDRIFTS-based partial least square regression analysis allows predicting microbial biomass, enzyme activities and 16S rRNA gene abundance in soils of temperate grasslands. Soil Biology and Biochemistry 57, 504–512. doi: 10.1016/j.soilbio.2012.09.030
Mehr Informationen:  doi.org
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Regan K. M. (2016): Linking Microbial Abundance and Function to Understand Nitrogen Cycling in Grassland Soils. Dissertation, University Hohenheim
Mehr Informationen:  opus.uni-hohenheim.de
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Zeigen Pflanzen oder abiotische Bodeneigenschaften saisonal bedingt mehr Einfluss auf die Verteilung von Mikroorganismen in Grünlandböden?
Regan K. M., Nunan N., Boeddinghaus R. S., Baumgarten V., Berner D., Boch S., Oelmann Y., Overmann J., Prati D., Schloter M., Schmitt B., Sorkau E., Steffens M., Kandeler E., Marhan S. (2014): Seasonal controls on grassland microbial biogeography: Are they governed by plants, abiotic properties or both? Soil Biology and Biochemistry 71, 21–30. doi: 10.1016/j.soilbio.2013.12.024
Mehr Informationen:  doi.org
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Regan K., Stempfhuber B., Schloter M., Rasche F., Prati D., Philippot L., Boeddinghaus R. S., Kandeler E., Marhan S. (2017): Spatial and temporal dynamics of nitrogen fixing, nitrifying and denitrifying microbes in an unfertilized grassland soil. Soil Biology and Biochemistry 109, 214–226. doi: 10.1016/j.soilbio.2016.11.011
Mehr Informationen:  doi.org
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Richter-Heitmann T., Hofner B., Krah F.-S., Sikorski J., Wüst P. K., Bunk B., Huang S., Regan K., Berner D., Boeddinghaus R. S., Marhan S., Prati D., Kandeler E., Overmann J., Friedrich M. W. (2020): Stochastic dispersal rather than deterministic selection explains the spatio-temporal distribution of soil bacteria in a temperate grassland. Frontiers in Microbiology 11: 1391. doi: 10.3389/fmicb.2020.01391
Mehr Informationen:  doi.org
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Die potentielle Methan-Oxidation des Bodens in Abhängigkeit von der Landnutzungsintensität am Beispiel von Grünland und Wald
Rohrbach K. (2017): Die potentielle Methan-Oxidation des Bodens in Abhängigkeit von der Landnutzungsintensität am Beispiel von Grünland und Wald. Bachelor thesis, University Hohenheim
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Erholung von Ökosystemfunktionen nach experimenteller Störung in 73 Grünlandflächen mit unterschiedlicher Landnutzungsintensität, Artenvielfalt und Zusammensetzung der Pflanzengesellschaft
Schäfer D., Klaus V. H., Kleinebecker T., Boeddinghaus R. S., Hinderling J., Kandeler E., Marhan S., Nowak S., Sonnemann I., Wurst S., Fischer M., Hölzel N., Hamer U., Prati D. (2019): Recovery of ecosystem functions after experimental disturbance in 73 grasslands differing in land‐use intensity, plant species richness and community composition. Journal of Ecology 107 (6), 2635-2649. doi: 10.1111/1365-2745.13211
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Lineare gemischte Modelle und Geostatistik für geplante Experimente in den Bodenwissenschaften – zwei unversöhnliche Methoden oder zwei Seiten derselben Medaille
Slaets J., Boeddinghaus R. S., Piepho H.-P. (2021): Linear mixed models and geostatistics for designed experiments in soil science ‐ two entirely different methods or two sides of the same coin? European Journal of Soil Science 72 (1), 47-68. doi: 10.1111/ejss.12976
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Nach welchen Regeln besiedeln Bakterien den Boden?
Vieira S., Sikorski J., Gebala A., Boeddinghaus R. S., Marhan S., Rennert T., Kandeler E., Overmann J. (2020): Bacterial colonization of minerals in grassland soils is selective and highly dynamic. Environmental Microbiology 22 (3), 917-933. doi: 10.1111/1462-2920.14751
Mehr Informationen:  doi.org

Projekt in anderen Förderperioden

Wissenschaftliche Mitarbeiter:innen

Prof. Dr. Ellen Kandeler
Projektleiterin
Prof. Dr. Ellen Kandeler
Universität Hohenheim
Dr. Sven Marhan
Projektleiter
Dr. Sven Marhan
Universität Hohenheim
Doreen Berner
Mitarbeiterin
Doreen Berner
Daniel Keil
Mitarbeiter
Daniel Keil
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