RT Dissertation/Thesis
T1 Soil microbial assimilation and turnover of carbon depend on resource quality and availability
A1 Müller,Karolin
WP 2017/12/12
AB Der Abbau von organischer Bodensubstanz (OBS) ist ein wichtiger Prozess des globalen Kohlenstoffkreislaufes (C-Kreislaufes), der im Wesentlichen von Bodenmikroorganismen durchgeführt wird. Trotz der großen Bedeutung der mikrobiellen Aktivität für die globale C-Bilanz, ist der Einfluss von Substratqualität und -verfügbarkeit auf Bodenmikroorganismen wenig erforscht. Ein Großteil des pflanzenbürtigen C wird indirekt durch den Einbau in Mikroorganismen der OBS zugeführt, aber über das darauffolgende Schicksal von C in der mikrobiellen Gemeinschaft ist wenig bekannt. Die mikrobielle Biogeochemie ist deswegen in Erdsystemmodellen nur unzureichend implementiert. 
Die im 5. Kapitel präsentierte Studie nutzte ein im Jahr 2009 angelegtes Feldexperiment um den C-Eintrag in drei Bodentiefen nach einem C3-C4 Pflanzenwechsel in fünf aufeinanderfolgenden Jahren zu untersuchen. Hierbei wurde durch den Anbau von Maispflanzen wurzelbürtiger C (unterirdischer C-Kanal), sowie durch die Applikation von Maisstreu auf die Bodenoberfläche sproßbürtiger C (oberirdischer C-Kanal) in den Boden eingetragen. Der prozentuale Anteil von maisbürtigem C variierte in den Bodenpools: geringere Einträge fanden sich in der OBS und im extrahierbaren organischen C (EOC) und höhere Einträge in den mikrobiellen Gruppen. Eine Versorgung mit beiden Pflanzensubstraten zeigte im Oberboden einen additiven Effekt in fast allen untersuchten Bodenpools. Sowohl wurzel- als auch sproßbürtiger C wurde bis in eine Tiefe von 70 cm transferiert. In allen drei Tiefen assimilierten Pilze die angebotenen C-Substrate im größeren Umfang als Gram-positive und Gram-negative Bakterien. Nach der fünften Wachstumsperiode konnte ein Einbau von bis zu 78 % Mais-C in die pilzliche Biomasse nachgewiesen werden, was auf verstärkte Nutzung des Mais-C durch saprotrophe Pilze hindeutet. 
Die zweite Studie untersuchte den Einfluss abnehmender Substratqualität auf Bodenmikroorganismen an der Boden-Streu Grenzschicht in einem Mikrokosmenexperiment. Ein reziproker Austausch von markierter 13C und unmarkierter 12C Maisstreuauflage auf Bodenkerne erlaubte es, den C-Eintrag von Pflanzenresten in die Hauptakteure (Bakterien und Pilze) des detritivoren Nahrungsnetzes und den darauffolgenden C-Umsatz in der mikrobiellen Biomasse zu drei unterschiedlichen Zeiten während des Streuabbaus zu bestimmen. Die Qualität (d. h. das Alter) der Maisstreu beeinflusste hierbei die Aufnahme von C in Bakterien und Pilze. Einfach verfügbarer C aus kürzlich eingetragener Streu wurde von beiden Mikroorganismengruppen genutzt, während saprotrophe Pilze zusätzlich noch komplexeres C-Substrat im fortgeschrittenen Abbaustadium nutzten. Bakterien reagierten unterschiedlich auf die angebotene Streu, indem sie entweder den Streu-C in ihren Phospholipidfettsäuren (PLFAs) über die Zeit umsetzten, es dauerhaft speicherten und/oder zusätzlich noch mikrobiell freigesetzten C aufnahmen. Saprotrophe Pilze hingegen zeigten einen deutlichen Abbau von Mais-C in der pilzlichen PLFA. Die mittlere Verweildauer von C in der pilzlichen Biomasse betrug 32 bis 46 Tage und wurde genauso schnell oder sogar schneller als in den bakteriellen PLFAs umgesetzt. 
Für die in Kapitel 7 präsentierte Studie wurde ein weiteres Feldexperiment genutzt, um die Mitglieder der Herbivoren- und Detritivorennahrungskette über zwei aufeinanderfolgende Jahre zu untersuchen. Drei Behandlungen wurden etabliert um wurzelbürtiges, sproßbürtiges und autochthones organisches Material als verfügbares C-Substrat zur Verfügung zu stellen: Anbau von Maispflanzen, Ausbringen von Maisstreu und Brachflächen. Entgegen den Erwartungen zeigte die veränderte C-Versorgung durch Entfernen der Ackerpflanze nur wenig Einfluss auf die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur des Bodennahrungsnetzes. Bakterien und Pilze zeigten eine ausgeprägte Anpassungsfähigkeit an die geringere C-Verfügbarkeit. In der ersten Vegetationsperiode war die Nematodenabundanz unter Pflanzenkultivierung vergleichbar mit denen der Streu- und Brachflächen. Nach der zweiten Ernte wurden hingegen die Mitglieder der Detritivorennahrungskette durch den Abbau von Wurzelbiomasse gefördert. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen eine ausgeprägte Widerstandsfähigkeit des Bodenmikronahrungsnetzes auf Substrat- und Nährstoffverfügbarkeit und deuten darauf hin, dass älteres organisches Material genutzt wird, um C-Mangel auszugleichen. 
Zusammenfassend hat die vorliegende Arbeit dazu beigetragen neue Erkenntnisse zu mikrobiellen Abbauprozessen mit unterschiedlicher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu erlangen. Die Nutzung von stabilen Isotopen in Kombination mit PLFA-Biomarkeranalysen ermöglichte es, den C-Fluss zwischen abiotischen und mikrobiellen C-Pools im Boden zu untersuchen und den Anteil von Bakterien und Pilzen am C-Umsatz im Boden zu bestimmen. Die vorliegenden Ergebnisse können als Basis für ein empirisches Modell des C-Flusses durch das gesamte Bodennahrungsnetz genutzt werden.

K1 Kohlenstoffkreislauf
K1 Stabiles Isotop
K1 Boden
K1 Bakterien
K1 Pilze
K1 Wurzel
K1 Streu
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
UL http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2017/1427