Mikrobielle Besiedlungsstrategien und Ressourcennutzung in Grünlandböden mit unterschiedlicher Landnutzungsintensität

Wir haben Mechanismen identifiziert, die kleinräumige Muster formen und sie mit Variationen der Landnutzungsintensität verknüpfen. Wir untersuchten die folgenden Mechanismen, die zur Entwicklung von räumlicher Heterogenität in mikrobiellen Bodengemeinschaften beitragen: (1) Besiedlung neuer Oberflächen (Mineralien, organisch-mineralische Komplexe und Streu) und (2) Ressourcenaufteilung zwischen Bakterien und Pilzen in der Detritusphäre und Rhizosphäre. Diese Experimente lieferten neue Einblicke in die physikalischen und chemischen Nischen, die von Bodenmikroorganismen im Laufe der Zeit unter verschiedenen Landnutzungsintensitäten besetzt werden.

Reaktive Bodenmineralien, die teilweise mit gelöster organischer Substanz (¹³C-markierte künstliche Modellexsudate, ARE) beschichtet waren, wurden in Netzsäcke gefüllt und in Böden ausgewählter Grünlandstandorte mit unterschiedlichen Landnutzungsintensitäten (LUI) vergraben, um die Besiedlung und Sorption spezifischer Gruppen von Mikroorganismen an Mineraloberflächen zu untersuchen. Zusätzlich vergruben wir Netzbeutel, die mit reaktiven Bodenmineralien gefüllt waren, gemischt mit ¹³C- und ¹⁵N-markierten Wurzeln von Dactylis glomerata in denselben Grünlandböden, um zu beurteilen, wie schnell Bodenmikroorganismen und Pflanzen diese Ressource in Böden mit unterschiedlichen LUI nutzen. Die Exposition für die beiden unterschiedlichen Experimente betrug 6 Monate für die künstlichen Wurzelexsudate und 31 Monate für die markierten Wurzeln. Wir setzten physiologische, mikrobiologische und isotopische Methoden ein, um die in situ Besiedlungsmuster, die Kohlenstoffnutzung und das Niveau der extrazellulären Enzymexpression durch Bodenmikroorganismen, die mit mineralischen Oberflächen assoziiert sind, aufzuklären.

Die Mikroorganismen kolonisierten nur langsam die unbeladenen mineralische Oberflächen und etablierten mit der Zeit funktionell unterschiedliche Gemeinschaften (Kandeler et al. 2019, Vieira et al. 2020). Pilze kolonisierten mineralische Oberflächen in einem größeren Ausmaß als Bakterien und erreichten nach 31 Monaten 13,2 % der Kontrollböden im Vergleich zu 3,2 % bei den Bakterien. Pilze erreichten auch die mineralischen Oberflächen früher als Bakterien, wahrscheinlich aufgrund ihrer Hyphenwachstumsstrategien, und nutzten das hinzugefügte komplexe Wurzelstreusubstrat schneller. Dieses Ergebnis wird durch den Einbau von bis zu 74 % aus der Wurzelstreu stammendem C in die pilzspezifische PLFA (18:2ω6,9) im Vergleich zu 51 % aus der Wurzelstreu stammendem C in den bakterienspezifischen PLFAs deutlich. Sowohl Bakterien als auch Pilze, die mit Mineralien assoziiert waren, blieben während des gesamten Versuchszeitraums in einem aktiven Zustand (hohe biomassespezifische Atmung, hohe bakterielle und pilzliche Wachstumsraten). Der Grünland-LUI und die physikalisch-chemischen Eigenschaften des angrenzenden Bodens veränderten sowohl die Quantität als auch die Qualität der für die Bodenmikroorganismen in der Mineralosphäre verfügbaren Substrate. Da die ¹³C-Inkorporation in die mikrobielle Biomasse unter niedrigem LUI größer war als unter hohem LUI, schließen wir daraus, dass die Mikroorganismen an Standorten mit niedrigem LUI auf das hinzugefügte Wurzelmaterial angewiesen waren, während das Kohlenstoffsignal in den Mikroorganismen an den Standorten mit hohem LUI durch alternative Quellen verdünnt wurde, die aus dem Transport von gelöstem organischem Kohlenstoff in die Mineralosphäre resultierten.

FTIR-Spektren deuteten darauf hin, dass die mineralassoziierten künstlichen Wurzelexsudate (ARE) innerhalb der ersten 2 Wochen der Exposition verwendet wurden und durch andere Kohlenhydrate aus lebenden oder toten Zellen sowie bodengebundene C-Quellen, die nach Starkregenereignissen in die Mineralosphäre transportiert wurden, ersetzt wurden (Boeddinghaus et al. 2021). Pilze und Gram-positive Bakterien nahmen ARE-bürtiges C schneller auf als Gram-negative Bakterien. Gram-negative Bakterien profitierten vermutlich indirekt von der ARE, indem sie sich von mineral-assoziierter Nekromasse von Pilzen und gram-positiven Bakterien ernährten. Die gram-negativen bakteriellen Phyla Verrucomicrobia, Planctomycetes, Gemmatimonadetes, Armatimonadetes und Chloroflexi zeigten eine positive Korrelation mit den Gram-negativen PLFA-Abundanzen. Nach 24 Wochen Exposition in den Grünland-Böden erreichten die Abundanzen der Boden-Mikroorganismen in der Mineralosphäre nur 3,1 % der Populationsdichte im Boden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl Bakterien als auch Pilze neue Oberflächen wie z.B. Mineralien langsam besiedeln, aber künstliche Wurzelexsudate schnell assimilieren und so eine aktive mikrobielle Gemeinschaft in der Mineralosphäre bilden.