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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.

Bodenkruste

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?).


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.

Bodenkruste

  • 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

Wir fanden Biokrusten vor allem an gestörten Stellen im Wald, wie Rückegassen, an Hängen und nach Windwurf oder Kahlschlag. Dies weist auf die wichtige Rolle von Biokrusten als Erstbesiedler (Pioniere) von freiem Boden und ihre Schutzfunktion gegen Erosion hin. Biokrusten in Wäldern weisen eine hohe Diversität an Algen auf, wobei filamentöse Arten am häufigsten vorkommen. Außerdem beobachteten wir eine spezifische Bakteriengemeinschaft in der Biokruste im Vergleich zum Mutterboden. Insbesondere die Abundanz von zelluloseabbauenden und bakterienfressenden Bakterien war in Biokrusten höher als im Mutterboden.
Es wurde beschrieben, dass Biokrusten Kohlenstoff und Stickstoff in der obersten Bodenschicht anreichern. Wir konnten diesen Befund in den Exploratorien bestätigen und das bisherige Wissen weiter ausbauen: Biokrusten reichern auch Phosphor an, insbesondere die organische Fraktion von P ist erhöht. Alle Gene, die am P-Zyklus beteiligt sind, wurden in höherer Abundanz gefunden, was auf einen schnelleren biogeochemischen P-Umsatz in der Biokruste im Vergleich zum Mutterboden hinweist.


Projekt in anderen Förderperioden

Crustfunction I (Teilprojekt)
#Bodenbiologie & Stoffkreisläufe  #2014 – 2017  #Bakterien […]
Crustfunction II (Teilprojekt)
#Bodenbiologie & Stoffkreisläufe  #2017 – 2020  #Bakterien […]

Wissenschaftliche Mitarbeiter:innen

Dr. Karin Glaser
Projektleiterin
Dr. Karin Glaser
Universität Rostock
Prof. Dr. Ulf Karsten
Projektleiter
Prof. Dr. Ulf Karsten
Universität Rostock
Dr. Stefanie Schulz
Projektleiterin
Dr. Stefanie Schulz
Helmholtz Zentrum München
Dr. Martin Albrecht
Mitarbeiter
Dr. Martin Albrecht
Universität Rostock
Juliette Ohan
Mitarbeiterin
Juliette Ohan
Helmholtz Zentrum München
Prof. Dr. Peter Leinweber
Mitarbeiter
Prof. Dr. Peter Leinweber
Universität Rostock
Dr. Karen Baumann
Mitarbeiterin
Dr. Karen Baumann
Universität Rostock
Prof. Dr. Michael Schloter
Mitarbeiter
Prof. Dr. Michael Schloter
Technische Universität München (TUM)
Julia Kurth
Mitarbeiterin
Julia Kurth
Technische Universität München (TUM)
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