Nachweis von Kompostdüngung durch VOC Emissionsmuster

Die Anwendung von Kompost beeinflusst die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften von Böden positiv. Induzierte Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaften im Boden können das Pflanzenwachstum durch die Stimulierung wachstumsfördernder Bakterien, die Induktion von Suppressivität oder die Verbreitung von Pflanzenpathogenen beeinflussen. Die Rückverfolgbarkeit von charakteristischen Mikroorganismen aus organischen Zusätzen wie Kompost ist insbesondere im Zusammenhang mit Qualitätskontrollen und Gesundheitsrisiken wichtig. Die Basis der geplanten Studie bietet ein einzigartiger Langzeitversuch, der im Jahr 1991 eingerichtet wurde, und in dem vier unterschiedliche Kompost- (aus Haushalts-Bioabfall, Grünschnitt, Stallmist und Klärschlamm) und Mineraldüngerzusätze verglichen werden. In einer vorhergehenden Untersuchung konnten wir erfolgreich demonstrieren, dass die unterschiedlichen Komposte Abdrücke auf struktureller (PCR-DGGE mit spezifischen Oligonukleotidprimern) und funktioneller Ebene (community level physiological profiling -CLPP) hinterlassen. Ein großer Nachteil dieser Methoden ist die Notwendigkeit von Extraktions- (PCR) bzw. Kultivierungsschritten (CLPP), was eine Verzerrung der Ergebnisse verursacht. Zahlreiche volatile organische Verbindungen (VOC) werden von Mikroorganismen als Nebenprodukte von verschiedenen Stoffwechselwegen des Sekundärmetabolismus, entweder als Abfallprodukte oder als Signalsubstanzen produziert. Einige VOCs sind charakteristisch für spezielle phylogenetische Gruppen oder sogar artspezifisch. In einem Vorversuch fanden wir mit Hilfe eines Protonentransferreaktions- Massenspektrometers (PTR-MS), dass verschiedene Komposte charakteristische und unterschiedliche Muster an VOCs emittieren. Deshalb erscheint dieser Ansatz vielversprechend um aus Bodenproben, unter Vermeidung von Extraktions- und Kultivierungsschritte, Rückschlüsse auf die Art der verwendeten Komposte ziehen zu können: ein Fortschritt von der Bodengenetik zur Bodenmetabolomik. Die erste Hypothese beinhaltet den Nachweis, Kompost behandelte Böden auf Grund von VOC Emissionsmustern von unbehandelten unterscheiden zu können. Die zweite und spezifischere Hypothese fordert die Unterscheidung der unterschiedlichen Komposte. In der dritten Hypothese postulieren wir, dass durch VOC Emissionsmuster die Böden auf gleiche Weise wie durch genotypische Analysen unterschieden werden können und daher die VOC Emission den Ablauf metabolischer Prozesse in der mikrobiellen Gemeinschaft zum Zeitpunkt der Probennahme reflektiert. Von sechs ausgewählten Behandlungsvarianten (Kontrolle, 80 kg N ha -1 , vier verschiedene Komposte + N) werden Bodenproben genommen. Für die genotypische Charakterisierung der mikrobiellen Gemeinschaft werden Denaturierende Gradienten Gel Elektrophorese (DGGE) und CompoChip Microarrays (in unserem Labor entwickelt), basierend auf der PCR Amplifikation von 16S rDNA eingesetzt. Die VOC Messungen werden mittels online PTR-MS Technologie durchgeführt. Eine anschließende Co-inertia Analyse wird die Verbindung zwischen den Mustern mikrobieller Gemeinschaften und den VOC Emissionsmustern herstellen.

Die Anwendung von Kompost beeinflusst die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften von Böden positiv. Induzierte Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaften im Boden können das Pflanzenwachstum durch die Stimulierung wachstumsfördernder Bakterien, die Induktion von Suppressivität oder die Verbreitung von Pflanzenpathogenen beeinflussen. Die Rückverfolgbarkeit von charakteristischen Mikroorganismen aus organischen Zusätzen wie Kompost ist insbesondere im Zusammenhang mit Qualitätskontrollen und Gesundheitsrisiken wichtig. Die Basis der geplanten Studie bietet ein einzigartiger Langzeitversuch, der im Jahr 1991 eingerichtet wurde, und in dem vier unterschiedliche Kompost- (aus Haushalts-Bioabfall, Grünschnitt, Stallmist und Klärschlamm) und Mineraldüngerzusätze verglichen werden. In einer vorhergehenden Untersuchung konnten wir erfolgreich demonstrieren, dass die unterschiedlichen Komposte Abdrücke auf struktureller (PCR-DGGE mit spezifischen Oligonukleotidprimern) und funktioneller Ebene (community level physiological profiling -CLPP) hinterlassen. Ein großer Nachteil dieser Methoden ist die Notwendigkeit von Extraktions- (PCR) bzw. Kultivierungsschritten (CLPP), was eine Verzerrung der Ergebnisse verursacht. Zahlreiche volatile organische Verbindungen (VOC) werden von Mikroorganismen als Nebenprodukte von verschiedenen Stoffwechselwegen des Sekundärmetabolismus, entweder als Abfallprodukte oder als Signalsubstanzen produziert. Einige VOCs sind charakteristisch für spezielle phylogenetische Gruppen oder sogar artspezifisch. In einem Vorversuch fanden wir mit Hilfe eines Protonentransferreaktions- Massenspektrometers (PTR-MS), dass verschiedene Komposte charakteristische und unterschiedliche Muster an VOCs emittieren. Deshalb erscheint dieser Ansatz vielversprechend um aus Bodenproben, unter Vermeidung von Extraktions- und Kultivierungsschritte, Rückschlüsse auf die Art der verwendeten Komposte ziehen zu können: ein Fortschritt von der Bodengenetik zur Bodenmetabolomik. Die erste Hypothese beinhaltet den Nachweis, Kompost behandelte Böden auf Grund von VOC Emissionsmustern von unbehandelten unterscheiden zu können. Die zweite und spezifischere Hypothese fordert die Unterscheidung der unterschiedlichen Komposte. In der dritten Hypothese postulieren wir, dass durch VOC Emissionsmuster die Böden auf gleiche Weise wie durch genotypische Analysen unterschieden werden können und daher die VOC Emission den Ablauf metabolischer Prozesse in der mikrobiellen Gemeinschaft zum Zeitpunkt der Probennahme reflektiert. Von sechs ausgewählten Behandlungsvarianten (Kontrolle, 80 kg N ha -1 , vier verschiedene Komposte + N) werden Bodenproben genommen. Für die genotypische Charakterisierung der mikrobiellen Gemeinschaft werden Denaturierende Gradienten Gel Elektrophorese (DGGE) und CompoChip Microarrays (in unserem Labor entwickelt), basierend auf der PCR Amplifikation von 16S rDNA eingesetzt. Die VOC Messungen werden mittels online PTR-MS Technologie durchgeführt. Eine anschließende Co-inertia Analyse wird die Verbindung zwischen den Mustern mikrobieller Gemeinschaften und den VOC Emissionsmustern herstellen.