Kopplung von Totholzabbau und Stickstoffkreislauf: Diversität und Funktion von Diazotrophen

Der Fokus des WOODSTOCK-Projektes liegt auf der Erforschung der funktionellen Biodiversität sowie Ökosystemprozessen an der Schnittfläche von Mikroorganismen im Wald und der Kohlenstoffverfügbarkeit von Totholzstämmen. Wir befassen uns mit den Beziehungen zwischen Menge, Aktivität und Diversität von Diazotrophen und der Zersetzung von Baumstämmen von 13 Baumarten unter dem Einfluss des Forstmanagements, des Standortes und der assoziierten Umweltparametern.

Um diese Fragestellung zu beantworten, stellen wir folgende Hypothesen auf:

1. Die ¹⁵N₂-Fixierungsrate und die Abundanz der Diazotrophen in Totholz unterscheidet sich zwischen Baumarten, Forstmanagement und Exploratorien.
2. Die ¹⁵N₂-Fixierung wird durch Temperatur sowie C und Sauerstoffverfügbarkeit (O) in den Stämmen beeinflusst.
3. Die Zusammensetzung der stickstofffixierenden mikrobiellen Gemeinschaft und die ¹⁵N₂-Fixierung unterscheiden sich entlang eines radialen Gradienten vom Stammäußeren zum Stamminneren. Moose, die die Stämme bedecken, sind ein spezieller Lebensraum für Diazotrophe und eine Netto-N-Quelle.
4. Diversität und Aktivität der Diazotrophen und totholzzersetzenden Pilze sind aufgrund ihres Kohlen- und Stickstoffbedarfs stark miteinander verbunden. Daher unterscheidet sich die Aktivität und Menge der Diazotrophen zwischen Anfangs- und fortgeschrittenen Zersetzungsstadien.

Das WOODSTOCK-Projekt kombiniert aktuelle Techniken aus der Nukleinsäure-basierten Analytik und der Elementaranalytik:

1. Die Stickstofffixierungrate wird über eine ¹⁵N₂-Inkubation bestimmt. Totholzfragmente werden für 72 Stunden unter einer ¹⁵N₂-angereicherten Atmosphäre inkubiert. Aus der Differenz der δ¹⁵N Signaturen im Holz vor und nach der Inkubation, kann die ¹⁵N₂-Fixierungsrate berechnet werden.
2. Um Quantität und Diversität der Diazotrophen auf Totholzstämmen zu bestimmen, werden sowohl quantitative PCR-Methoden als auch Amplikonsequenzierung basierend auf Markergenen eingesetzt.
3. Es wird ein antikörperbasierter Pull-Down-Ansatz unter Verwendung von Bromodesoxyuridin (BrdU) als Markierungsreagenz durchgeführt, um speziell die proliferierende und damit aktive Fraktion der diazotrophen Gemeinschaft aus einer komplexen mikrobiellen Gemeinschaft zu analysieren.
4. Konzentrationen von CO₂, O₂, CH₄, Einfach- und Mehrfachzuckern sowie Nährstoffen (N, P, S, K, Ca, Mg, etc.) werden bestimmt, um Verknüpfungen zwischen Kontrollfaktoren der ¹⁵N₂-Fixierung und der diazotrophen Gemeinschaft herzustellen.

Der so erhaltene Datensatz gibt nicht nur die Möglichkeit, Aussagen über den Einfluss der Diazotrophen auf den Holzabbau zu tätigen, sondern ermöglicht auch Korrelationen einer Fülle von weiteren mit den Flächen und den Totholzstämmen direkt verknüpften Datensätzen wie zum Beispiel der Waldbewirtschaftungsintensität und weiteren abiotischen Umweltfaktoren.