Biodiversität und funktionelle Rolle von biologischen Bodenkrusten II

Projektphase 2017-2020

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Ulf Karsten

Dr. Karen Baumann (assoz.)

Dr. Karin Glaser

Dr. Martin Albrecht

Samira Khanipour Roshan

(Uni Rostock)

Prof. Dr. Michael Schloter

Julia Kurth

(TU München)

Dr. Stefanie Schulz

(Helmholtz Zentrum München)

Hintergrund

Biologische Bodenkrusten (engl. biological soil crust; BSC) 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 aktuellen Phase werden diese Zusammenhänge detaillierter betrachtet.

 

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, 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?).

Weiterhin wird die funktionelle Rolle von Bodenkrusten in den biogeochemischen Kreisläufen von C und N untersucht. Die Konzentration und chemische Speziierung dieser Elemente geben Aufschluss, ob die Bodenkruste eine Quelle oder Senke für P- und N-Komponenten ist. Die Ergebnisse erlauben eine Identifizierung von Schlüsselorganismen des bisher kaum untersuchten P-Kreislaufes in den Bodenkrusten und ihres quantitativen Beitrags zum P-Flux (Wer macht was?).

 

Hypothesen


1. Mit steigender Landnutzungsintensität sinkt die Biodiversität und die Interaktionen innerhalb der mikrobiellen Netzwerkstrukturen werden reduziert.

2. Unterschiede in der Gemeinschaftsstruktur beeinflussen die Funktionalität der BSC.

3. Die mikrobielle Diversität in BSCs von Plots mit gleicher Landnutzung ist vergleichbar zwischen den drei Exploratorienstandorten.

4. Die Gemeinschaft der BSC ist verantwortlich für die Transformation von der mineralischen zur organischen Fraktion im biogeochemischen Kreislauf des Phosphors und Stickstoffs.

 

Methoden

  • Metagenomische und transkriptomische Analysen
  • qPCR für spezifische Gene des N- und P-Kreislaufes
  • Fettsäureanalytik
  • Quantifizierung der Gesamt C-, N- und P-Gehalte

 

Biodiversität und ökologische Funktion von biologischen Bodenkrusten

Projektphase 2014 - 2017

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Ulf Karsten

Prof. Dr. Peter Leinweber

Dr. Karen Baumann

Dr. Karin Glaser

Samira Khanipour Roshan

(Uni Rostock)

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 Bodenkrume oder Bereitstellung pflanzenverfügbarer Nährstoffe).

Trotz ihrer wichtigen ökologischen Funktion sind Bodenkrusten hauptsächlich nur in ariden und semiariden Habitaten untersucht. Deshalb soll in diesem Projekt die Artenzusammensetzung der Krusten gemäßigter Breiten aufgeklärt werden und eine mögliche Korrelation mit der Intensität von Landnutzung und Bodenparametern untersucht werden.

 

Ziele


Die Aufklärung der Biodiversität innerhalb der Bodenkruste soll zur Identifikation von Beziehungen der Organismen untereinander und deren Reaktionen auf äußere Faktoren, wie z.B. der Landnutzungsintensität, beitragen.

Die funktionelle Rolle von Bodenkrusten in den biogeochemischen Kreisläufen von C und N soll mittels massenspektrometrischem Fingerabdruck (Py-FIMS, Pyrolyse Feldionisation Massenspektrometrie) und XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) untersucht werden. Diverse C- und N-haltige Komponentenklassen von Krusten und angrenzendem Boden werden dabei charakterisiert und quantifiziert, sodass dann ein Einfluss von Landnutzungsintensität auf Moleküle oder Komponentenklassen statistisch ermittelt werden kann.

P-Fraktionsanalysen der Kruste und des angrenzenden Bodens sollen Aufschluss über die ökologische Funktion der Bodenkruste als Mobilisierer für mineralische P-Komponenten des Bodens geben.

 

Hypothesen


1. Mit steigender Landnutzungsintensität sinkt die Abundanz der stickstofffixierenden Cyanobakterien und bewirkt eine Verschiebung in der Gemeinschaft der Partnerorganismen (ammoniumoxidierende Bakterien und Archaeen).

2. Intensivierte Landnutzung verringert die biochemische Diversität von Molekülen organischer Bodensubstanz bei gleichzeitiger Anreicherung stabiler, N-haltiger Moleküle.

3. Mineralische P-Fraktionen werden durch die biologische Bodenkruste in organische Fraktionen transformiert. Eine Zunahme der Landnutzungsintensität erhöht organische P-Fraktionen in der Kruste.

 

Methoden

  • Kultivierung photosynthetisch aktiver Organismen
  • Lichtmikroskopie
  • PCR und 454 Sequenzierung
  • Py-FIMS (Pyrolyse Feldionisation Massenspektrometrie)
  • C-, N-, P - XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure)
  • P-Fraktionierung
  • 31P-NMR (nuclear magnetic resonance)

 

 

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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