Kontrollen organischer Stickstoff-Umsetzungen im Boden

Die Stickstoffverfügbarkeit in Böden übt eine starke Kontrolle auf den Kohlenstoffkreislauf in terrestrischen Ökosystemen aus, nicht nur durch den starken Einfluß auf die pflanzliche Produktivität sondern auch auf mikrobielle Prozesse im Boden, wie z.B. mikrobielle Abbauprozesse und die mikrobielle Atmung in Böden. Die vorhergesagten globalen Änderungen in Temperatur und Niederschlag, die steigende atmosphärische Konzentration von Kohlendioxid und steigende atmosphärische Einträge reaktiver Stickstoffverbindungen bedingen die Notwendigkeit eines verbesserten Verständnisses des Bodenstickstoffkreislaufs und der dahinterliegenden Prozesse, um die zukünftigen Änderungen im terrestrischen Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf korrekt vorhersagen zu können. Obwohl die Wichtigkeit der Bodenstickstoffdynamik für die Kohlenstoffsequestrierung in Böden gut bekannt ist, ist unser Wissen über die eigentliche Engstelle im Bodenstickstoffkreislauf, der Abbau des organischen Stickstoffs in Böden, und über die mikrobielle Stickstoffnutzungseffizienz (NUE) stark eingeschränkt. Die mikrobielle NUE stellt jenen Anteil von aufgenommenem organischen Stickstoffverbindungen dar, die in mikrobielle Biomasseproduktion investiert werden, wobei der Überschuss an organischem Stickstoff mineralisiert und in Form von Ammonium in die Umwelt zurückgeführt wird. Der dabei freigesetzte organische Kohlenstoff kann entweder zur Energiegewinnung genutzt werden und wird dabei zu Kohlendioxid veratmet oder für den Aufbau von Biomasse genutzt werden. Da mikrobielle Zellreste einen großen Anteil der stabilen organischen Substanz in Böden (Humus) umfassen, stellt die mikrobielle NUE einen Schlüsselparameter dar, welcher die Stickstoffverfügbarkeit und die Stickstoffsequestrierung in Böden reguliert und zu einer Entkopplung des Kohlenstoff- und Stickstoffkreislaufs im Boden führt. Das vorrangige Ziel des micrON-Projekts ist daher der Aufbau eines mechanistischen Verständnisses der organischen Stickstoffdynamik von mikrobiellen Gemeinschaften in Streu und Böden, welche die Stickstoffsequestrierung und die organische Stickstoffdynamik in Böden kontrollieren. Um dieses Ziel zu erreichen werden wir den Einfluß von klimatischen und edaphischen Faktoren sowie der Resourcenzusammensetzung auf die organische Stickstoffdynamik und die mikrobielle NUE untersuchen. Edaphische und klimatische Kontrollen auf diese Prozesse werden in Böden entlang eines Klimagradienten in Europa in natürlichen und bewirtschafteten terrestrischer Ökosystemen bearbeitet werden. Begleitet wird diese Studie durch die Messung der jahreszeitlichen Veränderungen in denselben Prozessen in Wald-, Grünland- und Ackerböden an zwei Standorten, und durch ein Mikrokosmos- Experiment, in welchem Böden unterschiedliche labile bis komplexe Formen von organischen Kohlenstoff und Stickstoff zugesetzt werden bzw. Temperatur und Bodenfeuchte ausgelenkt werden. Das Mikrokosmos-Experiment soll kurzfristige Reaktionen der mikrobieller NUE auf veränderte Umweltbedingungen und Resourcenverfügbarkeit testen, und erlauben ein biogeochemisches Modell mittels modernster Modellierungsansätzen zu kalibrieren. Durch die kombinierte Analyse der mikrobiellen Stickstoffprozesse über einen weiten Bereich an Bodentypen entlang des kontinentalen Gradienten, über Jahreszeiten hinweg und nach Auslenkung von Umweltparametern oder der Resourcenverfügbarkeit und deren mechanistischen Modellierung werden wir einen wichtigen Beitrag zum Verständnis und für die Vorhersagbarkeit dieser wichtigen mikrobiellen Prozesse leisten.

Das MicrON-Projekt hat deutlich gezeigt, dass Bodenelement-Kreislaufprozesse, einschließlich mikrobieller Kohlenstoff- und Stickstoffprozesse, nicht von der Größe der Enzympools oder dem Vorhandensein mikrobieller funktioneller Gene abhängen, sondern einer strengen Kontrolle durch die Substratverfügbarkeit (Ressourcen) unterliegen. Dies stellt einen klaren Paradigmenwechsel in der Boden- und Mikrobenökologie dar, die auf Enzyme und funktionellen Gene zentriert ist. Zersetzungsprozesse sind substratlimitiert und nicht enzymlimitiert. Die neue Forschungsaufgabe besteht daher darin, zu untersuchen, was die Verfügbarkeit und Zugänglichkeit von Substraten steuert, d.h. Prozesse mit Substratsorptionsprozessen sowie biotischen und abiotischen Quellprozessen zu verknüpfen. Darüber hinaus hat das MicrON-Projekt gezeigt, dass sich die Forschung nicht auf die Kontrolle einzelner bodenmikrobieller Prozesse konzentrieren sollte, sondern dass mehrere Funktionen gleichzeitig untersucht werden müssen, wenn man die Bodenfunktion und die Ökosystemleistungen von Böden verstehen will. Dies ermöglicht auch eine bessere Verknüpfung zwischen der Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft, der Bodenfunktionalität und den Umweltfaktoren. Das Verständnis der Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe im Boden auf regionaler und kontinentaler Ebene und wie sie auf das Agrarmanagement und den globalen Wandel reagieren, ist äußerst wichtig und relevant für Wirtschaft und Gesellschaft und war das Ziel des MicrON-Projektteams.