Tod - Die verborgene Seite microbiellen Turnovers in Böden

Eine Möglichkeit um den Klimawandel und den Anstieg des Kohlendioxid (CO2 )-Gehalts in der Atmosphäre auf natürliche Weise einzudämmen, ist der Aufbau von stabilem Bodenkohlenstoff. Der ursprünglich von Pflanzen gebundene Kohlenstoff wird hauptsächlich im Boden stabilisiert, nachdem er von Mikroorganismen aufgenommen wurde. Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze wirken wie eine Kohlenstoffpumpe im Boden. Sie nehmen Kohlenstoff aus abgestorbenem Pflanzenmaterial oder Wurzelausscheidungen auf, um Energie zu gewinnen und zu wachsen. Nach ihrem Absterben, wird der Kohlenstoff wieder frei und kann sich an Tonminerale im Boden anlagern. So wird er für Jahrzehnte bis Jahrhunderte stabilisiert. Während das Konzept des Kohlenstoffkreislaufs (Atmosphäre-Pflanzen-Bodenmikroorganismen-Bodenmineralien- Atmosphäre) gut etabliert ist, ist es schwierig, die Rolle der Bodenmikroorganismen bei der Stabilisierung des Kohlenstoffs im Boden zu quantifizieren und zu bewerten. Der Hauptgrund dafür ist, dass noch immer eine Methode zur Messung der mikrobiellen Todesrate fehlt. In diesem Projekt wollen wir die Todesraten von Bodenmikroorganismen messen. Dazu werden wir uns zunutze machen, dass wachsende Mikroorganismen neue Desoxyribonukleinsäure (DNA) synthetisieren, während die DNA aus der Zelle freigesetzt wird, wenn Mikroorganismen absterben. Das Wachstum und damit die Produktion von DNA kann bereits durch den Einbau von isotopisch markiertem Sauerstoff in die DNA während der Synthese gemessen werden. Um mikrobiellen Tod zu messen, werden wir diesen Ansatz umkehren und zuvor isotopenmarkierte lebende DNA in so genannte Umwelt-DNA (environmental DNA; eDNA) zurückverfolgen, die nach dem Zelltod außerhalb der lebenden Zellen verbleibt. Wenn die Veränderung der markierten DNA im lebenden DNA-Pool und im eDNA-Pool über die Zeit gemessen wird, lassen sich die mikrobiellen Todesraten berechnen. In einem zweiten Ansatz werden wir markierte eDNA Boden zusetzten und die Verdünnung des eDNA-Pools im Laufe der Zeit überwachen. Neu freigesetzte DNA wird die Konzentration der markierten eDNA mit der Zeit reduzieren und verdünnen. Wenn wir das Isotopensignal des eDNA-Pools zu zwei Zeitpunkten messen, kann dadurch erneut die Todesrate bestimmt werden. Um mikrobielle Todesraten zu messen werden wir beide Ansätze zunächst in Reinkulturen von Bodenbakterien und -pilzen testen, bevor wir sie im Freiland anwenden. Dies ist das erste Projekt das Methoden zur Bestimmung von mikrobiellen Todesraten in Böden entwickelt. Experimente an Reinkulturen sowie feldfrischem Boden werden die Rolle des mikrobiellen Absterbens für die Dynamik der mikrobiellen Biomasse im Boden und die Bildung von stabilem Bodenkohlenstoff klären. Die Quantifizierung mikrobieller Todesraten wird die Wissenslücke in Boden- Kohlenstoff-Konzepten und -Modellen schließen und Klimawandelmitigationskonzepte unterstützen, die zum Ziel haben atmosphärischen Kohlenstoff in Böden zu transferieren und dort zu speichern.

Bodenmikroorganismen sind eine treibende Kraft im Kohlenstoffkreislauf des Bodens. Sie nehmen den zuvor von Pflanzen gebundenen Kohlenstoff auf, um Biomasse aufzubauen und Energie zu erzeugen. Nach dem Absterben wird der Kohlenstoff von den Mikroorganismen wieder freigesetzt. Mikrobielles C kann sich dann an Bodenmineralien binden und bis zu 50 % der organischen Bodensubstanz bilden. Obwohl der mikrobielle Weg der Bildung und Stabilisierung von organischem Kohlenstoff im Boden für den terrestrischen Kohlenstoffkreislauf von entscheidender Bedeutung ist, fehlen uns Methoden zur Quantifizierung der mikrobiellen Sterberaten. In diesem Projekt haben wir eine Methode zur Bestimmung der mikrobiellen Sterberaten entwickelt. Die Methode kombiniert sequentielle DNA-Extraktion, um extrazelluläre DNA (eDNA) und DNA innerhalb lebender Zellen (iDNA) getrennt zu extrahieren, mit der Messung des mikrobiellen Wachstums mittels 18O-Einbau in DNA. Kurz gesagt: eDNA und iDNA werden zunächst aus Bodenproben extrahiert, um die initialen Poolgrößen zu bestimmen. Dann werden Bodenproben mit 18O-markiertem Wasser versetzt. Nach einer Inkubationszeit von 24 Stunden werden eDNA und iDNA aus den inkubierten Proben extrahiert. Danach werden DNA-Gehalt 18O-Gehalts der iDNA bestimmt. Die mikrobiellen Wachstumsraten werden für die iDNA bestimmt. Die Absterberaten können als Nettoveränderung der iDNA abzüglich der iDNA-Brutto-Wachstumsraten berechnet werden. Wir haben diese Methode an zwei Böden getestet, einem aus einem landwirtschaftlichen Feld und einem aus einem Buchenwald in Österreich mit ähnlichem Klima, aber großen Unterschieden in den Bodeneigenschaften. Für diesen Test wurden das mikrobielle Wachstum und Absterben sowie die Atmung bei 20 , 30 und 45 bestimmt. Dieser Temperaturbereich deckt Temperaturen ab, denen die Bodenmikroorganismen dieser Böden regelmäßig ausgesetzt sind, bis hin zu optimalen Spitzentemperaturen und Temperaturen, die nachweislich über dem mikrobiellen Temperaturoptimum liegen und wahrscheinlich entweder eine Hemmung des mikrobiellen Wachstums oder sogar ein verstärktes mikrobielles Absterben verursachen würden. In der Tat fanden wir heraus, dass die Atmung, aber auch der 18O-Einbau in die iDNA mit der Temperatur bis zu 45 zunahm, während die Größe des iDNA-Pools in beiden Böden von 30 auf 45 drastisch abnahm. Die berechneten Sterberaten zeigten daher einen steilen Anstieg über 30 . Mit unserer neuen, in diesem Projekt entwickelten Methode konnten wir somit das temperaturbedingte mikrobielle Absterben messen.