Saisonalität bodenmikrobieller Kohlenstoffsequestrierung

Steigende Temperaturen aufgrund eines Anstiegs der Kohlendioxidkonzentration (CO2) in der Atmosphäre verlangen nach effizienten Gegenstrategien. Eine Möglichkeit bietet die Aufnahme und Stabilisierung von Kohlenstoff (C) in Böden. Der Großteil des C in Böden besteht aus Bestandteilen toter Mikroorganismen. Ein erster Schritt, um C zu stabilisieren, ist somit der effiziente Einbau von C in Bodenmikroben. Von Interesse ist dabei, wie groß der Anteil an C ist, den die Mikroben für Wachstum beziehungsweise Atmung verwenden, die sogenannte Kohlenstoff-Nutzungs-Effizienz. Sobald die Mikroben absterben können mikrobielle Bestandteile an im Boden vorhandene Tonminerale gebunden und dadurch stabilisiert werden. Bisher ist jedoch nur wenig über diese Zusammenhänge bekannt. Weiters ist wenig darüber bekannt, wie Temperatur, Nährstoffverfügbarkeit, Substratchemie und Anpassungen der aktiven mikrobiellen Gemeinschaft, die Kohlenstoff-Nutzungs-Effizienz beeinflussen. Da diese Faktoren in gemäßigten Klimaten saisonal variieren, könnte es auch zu saisonalen Schwankungen in der Kohlenstoff- Nutzungs-Effizienz kommen. Zeitlich gut abgestimmte Zugaben von C in Zeiten hoher Kohlenstoff- Nutzungs-Effizienz könnten zur Akkumulation des stabilen Bodens-C führen und dem Klimawandel entgegenwirken. In diesem Projekt werden wir erstmals die Saisonalität der Kohlenstoff-Nutzungs-Effizienz durch regelmäßige Messungen, in einem Waldboden bzw. einem landwirtschaftlichen Boden, je mit, als auch ohne Laub- bzw Ernteresteitrag im Herbst, bestimmen. Wir werden diese Daten der Kohlenstoff-Nutzungs-Effizienz,Nährstoffverfügbarkeit,Substratchemie, Temperaturund mikrobieller Gemeinschaftszusammensetzung statistisch analysiert, um deren direkten und indirekten Zusammenhänge zu ermitteln. Wir werden mikrobielle Anpassungen an Temperatur, Nährstoffverfügbarkeit und Substratchemie in kurzzeitigen Laborexperimenten untersuchen. In einem weiteren Laborexperiment mit Böden, gesammelt zu verschiedenen Jahreszeiten, werden wir den Zusammenhang der Kohlenstoff-Nutzungs-Effizienz und der Bindung von C an Tonminerale bestimmen. Dazu werden markierte Substanzen hinzugefügt und deren Aufnahme durch Mikroben sowie der Transfer in verschiedene Boden-C-Pools über die Zeit verfolgt. Mit Hilfe eines mathematischen Modelles werden wir die langfristige Stabilität von C im Boden, in Abhängigkeit von Zeitpunkt und Art der Zugabe abzuschätzen. Unseres Wissens nach ist dies das erste Projekt, das die Saisonalität der Kohlenstoff-Nutzungs- Effizienz und die Bedeutung und Wechselwirkung von Umweltfaktoren und der mikrobiellen Gemeinschaftuntersucht.DieKombination vonFeld- und Laborexperimenten sowie Modellierungsansätzen wird die Rolle der Kohlenstoff-Nutzungs-Effizienz bei der Bildung von stabilem Boden C verdeutlichen. Unsere Erkenntnisse können dazu beitragen, zeitlich genaue Managementpraktiken zu entwickeln, um dem Klimawandel entgegenzuwirken.

Mikroorganismen sind die treibende Kraft für den Kohlenstofffluss in und aus Bodenökosystemen. Sie nehmen Kohlenstoff auf, der zuvor von Pflanzen durch Photosynthese gebunden wurde, um zu wachsen oder um durch Atmung Energie zu erzeugen. Der veratmete Kohlenstoff geht als CO2 aus dem Boden verloren, während der in die mikrobielle Biomasse aufgenommene Kohlenstoff im Boden verbleibt und dort stabilisiert werden kann. Das Verhältnis von Kohlenstoff, der in der mikrobiellen Biomasse verbleibt, und dem gesamten aufgenommenen Kohlenstoff wird als Kohlenstoffnutzungseffizienz (CUE) definiert. Die CUE ist ein wichtiger Parameter, der zu optimieren versucht wird, um Kohlenstoffsequestrierung in Böden zu erhöhen und so z. B. der steigenden CO2-Konzentration in der Atmosphäre entgegenzuwirken. In diesem Projekt untersuchten wir, wie sich mikrobiellen Parameter im Laufe des Jahres verändern, was die wichtigsten Kontrollmechanismen für CUE, mikrobielles Wachstum und Atmung sind und wie diese Parameter mit der Sequestrierung von Kohlenstoff im Boden zusammenhängen. Zu diesem Zweck haben wir das mikrobielle Wachstum, die Atmung und CUE über zwei Jahren 18 Mal in einem landwirtschaftlichen Boden und einem Waldboden bestimmt. Die mikrobielle Atmung, das mikrobielle Wachstum und die mikrobielle Biomasse zeigten starke saisonale Schwankungen. Die mikrobielle Atmung folgte der Bodentemperatur und war im Sommer hoch und im Winter niedrig. Das mikrobielle Wachstum folgte ebenfalls der Temperatur, hing aber auch von der Verfügbarkeit von Kohlenstoff ab. Im Gegensatz dazu folgte die mikrobielle CUE nicht eindeutig den saisonalen Temperaturschwankungen und wies im Winter Spitzenwerte auf. Außerdem beobachteten wir eine überraschende Zunahme der mikrobiellen Biomasse im Winter. Aufgrund unserer überraschenden Ergebnisse zur mikrobiellen Dynamik im Winter führten wir ein zusätzliches Laborexperiment durch. Wir untersuchten die mikrobielle Atmung und das Wachstum sowie Aufnahme von Kohlenstoff als Reaktion auf die Bodenabkühlung. In beiden Böden wie zuvor, wurden Atmung und Zellteilung stark reduziert, als die Böden von 11 C auf 1 C abgekühlt wurden, während die Kohlenstoffaufnahme unverändert blieb. Die Diskrepanz zwischen Kohlenstoffaufnahme und Zellteilung ist ein Hinweis auf die Produktion von Speicherstoffen in den mikrobiellen Zellen. Diese internen Speicher, könnten der Grund für die Zunahme der mikrobiellen Biomasse im Winter sein. Das mikrobielle Absterben im Frühjahr könnte eine Zunahme von mikrobiellen Nekromasse mit sich bringen, die an der Bodenmatrix stabilisiert werden kann. Obwohl die genauen Mechanismen noch weiter aufgeklärt werden müssen, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass der Winter mit seiner Blüte und dem anschließenden Rückgang der mikrobiellen Biomasse die Hauptsaison für die mikrobielle Kohlenstoffsequestrierung in gemäßigten Bodensystemen darstellen könnte.