Vieles von dem, was Wissenschaftler über den Bodenstoffwechsel denken, könnte falsch sein. Neue Erkenntnisse der Northern Arizona University legen nahe, dass Mikroben in verschiedenen Böden unterschiedliche biochemische Wege nutzen, um Nährstoffe zu verarbeiten, zu atmen und zu wachsen. Die Studie, die letzten Monat in der Fachzeitschrift Plant and Soil veröffentlicht wurde, stellt lang gehegte Annahmen im Bereich der Bodenökologie auf den Kopf und fordert weitere Untersuchungen und die Anwendung von Methoden mit höherer Auflösung in einem Bereich, der bisher eine Blackbox für das Fachgebiet war.
„Als Ökologen denken wir im Allgemeinen nicht über den Bodenstoffwechsel in Form von Stoffwechselwegen nach“, sagte Paul Dijkstra, Forschungsprofessor für Biologie am Center for Ecosystem Science and Society an der NAU und Hauptautor der Studie. „Aber wir haben jetzt Beweise dafür, dass sich der Stoffwechsel von Boden zu Boden unterscheidet. Wir sind die ersten, die das sehen.“
„Wir haben gelernt, dass die Biochemie – genauer gesagt, die Stoffwechselwege, die die Bodenmikrobiota wählt – eine Rolle spielt, und zwar eine sehr wichtige“, sagt Mitautorin Michaela Dippold, Professorin für Wechselwirkungen zwischen Geo- und Biosphäre an der Universität Tübingen in Deutschland. „Unser Fachgebiet muss dringend experimentelle Ansätze entwickeln, die den Energiebedarf für die Aufrechterhaltung und die zugrunde liegende Atmung auf robuste Weise quantifizieren. Das ist eine Herausforderung, auf die die künftige bodenökologische Forschung reagieren muss.“
Als Teil der Arbeit seines Teams, die Bodenökologie zu einer spezifischeren, quantitativ strengen Wissenschaft zu machen, adaptierte Dijkstra eine Methode aus der grundlegenden und angewandten Mikrobiologie, die zur Modellierung des Stoffwechsels einzelner mikrobieller Arten unter Laborbedingungen verwendet wird. Bei dieser Technik, der so genannten 13C-Stoffwechselanalyse, werden die Kohlenstoffatome an jeder Position eines Glukosemoleküls markiert, so dass eines von den anderen unterschieden werden kann. Durch Zugabe dieser markierten Glukose zu einer Bodenprobe können die Forscher nachvollziehen, wie viel CO2 aus jedem Kohlenstoffatom des Moleküls erzeugt wurde. So wie ein einzelner aufgedeckter Buchstabe in der Spielshow „Glücksrad“ auf einen ganzen Satz hinweisen kann, ist das positionsspezifische CO2 ein Anhaltspunkt für den eingeschlagenen biochemischen Weg.
„Als wir 2011 diese Methode entwickelten, um zwischen Stoffwechselwegen im Boden zu unterscheiden, hatten wir im Grunde eine Antwort auf eine Frage, die noch niemand gestellt hatte“, so Dijkstra.
Als sein Team diese markierte Glukose zu einem Sumpfboden, einem alpinen Nadelwaldboden und einem kühlen Wüstengrasboden hinzufügte, stellten sie fest, dass das meiste CO2 in einem Boden aus dem dritten C-Atom, in den anderen beiden Böden jedoch aus dem ersten C-Atom erzeugt wurde, was darauf hindeutet, dass die mikrobielle Bodengemeinschaft in jedem Boden einen anderen biochemischen Weg zur Verarbeitung des Zuckers nutzte. Viele ökologische Modelle gehen standardmäßig davon aus, dass der Bodenstoffwechsel ein homogener Prozess ist, dessen Geschwindigkeit sich ändert, nicht aber der Weg dorthin.
Für Dijkstra bedeuteten die ersten Messungen eine Art Heureka-Moment. „Es war ein Freitag um 4 Uhr nachts und mir war langweilig, also ging ich ins Labor. Ich stellte schnell eine Mischung dieser Kohlenstoffisotope her, spritzte sie in den Boden und maß das resultierende CO2. Nach 40 Minuten habe ich aufgehört. Und ich habe alles weggeworfen, weil ich nicht glauben konnte, was ich da sah.
Die Forscher wissen zwar noch nicht, warum Bodengemeinschaften unterschiedliche Wege nutzen, aber eine Hypothese ist, dass einige Wege in bestimmten Umgebungen Schutz vor Sauerstoffstress bieten.
Der vom Team vorgeschlagene Rahmen hat weitreichende Auswirkungen auf die künftige Bodenforschung und -bewirtschaftung. Wenn, wie das Team vermutet, ein kleiner Teil des Bodenmikrobioms hochaktiv und für den Stoffwechsel und die Mobilisierung von Nährstoffen optimiert ist, ist es für die Forscher wichtig zu wissen, wer diese Mikroben sind und ihre Effizienz zu unterstützen, so Dippold. Räuber- und Weidegänger-Mikroben könnten eine wichtige Dynamik im Stoffwechsel der Gemeinschaft steuern, so Dijkstra. Wenn man also mehr über die trophische Dynamik verschiedener Böden erfährt, könnte dies Hinweise auf Managementstrategien geben.
In einem Bereich, der sich seit jeher auf Proxy-Messungen verlässt, um zu beschreiben, wie Mikroben die Arbeit des Fressens, des Zellaufbaus, der Atmung und des Sterbens erledigen, deutet diese Studie darauf hin, dass diese Platzhalter-Annahmen die Fähigkeit des Fachgebiets beeinträchtigen könnten, das, was es über Böden weiß, auf die Herausforderung der Klimaerwärmung anzuwenden.
„Die Bodenökologie lässt sich nicht in einem einfachen Proxy zusammenfassen“, so Dippold. „Wir müssen uns auf den mikrobiellen Stoffwechsel in den Böden konzentrieren, und dazu brauchen wir vielfältigere und leistungsfähigere Instrumente – egal wie schwierig eine solche Studie auch sein mag. Andernfalls werden wir immer wieder mit unschlüssigen Ergebnissen enden, deren zugrunde liegende Prozesse nicht gut verstanden werden. Das, so Dippold, wird unsere Möglichkeiten einschränken, die mikrobiellen Prozesse im Boden zu beeinflussen, um die Treibhausgasemissionen und die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf die Bodengesundheit zu verringern.
Neben Dijkstra und Dippold gehörten dem Forschungsteam Ayla Martinez (Northern Arizona University), Scott Thomas (New York University), Cale Seymour (University of Nevada-Las Vegas), Weichao Wu (Shanghai Ocean University), Patrick Megonigal (Smithsonian Environmental Research Center), Egbert Schwartz (Northern Arizona University) und Bruce Hungate (Northern Arizona University) an.
Datum: Mai 10, 2022
Quelle: Universität von Northern Arizona
Journal Reference:
- Paul Dijkstra, Ayla Martinez, Scott C. Thomas, Cale O. Seymour, Weichao Wu, Michaela A. Dippold, J. Patrick Megonigal, Egbert Schwartz, Bruce A. Hungate. On maintenance and metabolisms in soil microbial communities. Plant and Soil, 2022; DOI: 10.1007/s11104-022-05382-9