Bedeutung der Baumart für die Aktivität und Diversität von methanoxidierenden Bakterien in temperaten Waldböden
Final Report Abstract
Das Projekt beschäftigte sich mit der Aufnahme des Treibhausgases Methan durch mikrobielle Lebensgemeinschaften in Waldböden. Waldböden stellen global die wichtigste terrestrische Senke für Methan dar. Ihre Senkenstärke hat durch den massiven Umbau von natürlichen Laub- in Nadelwälder auf der Nordhalbkugel drastisch abgenommen. Methanotrophe Bakterien in diesen Böden nutzen Methan als Kohlenstoff- und Energiequelle. Weil die Ursachen für eine verminderte Methanauffnahme durch methanotrophe Gemeinschaften in Nadelwaldböden zum Zeitpunkt der Antragstellung (2005) nicht geklärt waren, war es das erklärte Ziel des bewillligten Projekts mit mikrobiologischen und biogeochemischen Methoden die Ursachen für dieses Phänomen aufzuklären. Untersucht wurden vier deutsche Standorte (Sollingen, Unterlüß, Steigerwald, Höglwald) mit jeweils benachbarten Buchen (Fagus sylvatica)- und Nadelbaum-(Picea abies)beständen. Vorlaufende Arbeiten, die einen Zusammenhang zwischen erniedrigter atmosphärischer Methanaufnahme und Fichten oder anderen Koniferenarten hergestellt hatten, beruhten vor allem auf Messdaten von Methanflüssen im Feld. In diesen Arbeiten konnte nicht ausgeschlossen werden, dass sich physikochemische Parameter, die z.B. die Diffusion der Methans zu den methanotrophen Bakterien im Boden beeinflussen, in Koniferenböden von denen in Laubbaumböden unterschieden. Demnach würde ein Unterschied der Methanaufnahme nur auf diesen physikochemischen Parametern beruhen. Erstmalig konnte unter kontrollierten Bedingungen im Labor an ungestörten Bodenproben von zwei der vier Standorte nachgewiesen werden, dass die Methanaufnahmerate auch dann niedriger in Fichtenwaldböden sind, wenn aktivitäts-steuernde Randparameter (Temperatur, Wasserverfügbarkeit) in Fichten- wie in Buchenwaldböden gleich sind. Daraus ließ sich ableiten, dass die beteiligten methanotrophen Gemeinschaften unterschiedlich waren. Entsprechend dieser ersten Schlussfolgerung stellte sich in nachfolgenden Untersuchungen heraus, (1.) dass ähnliche aber auf Artniveau unterschiedliche methanotrophe Bakterien vorhanden waren und (2.) dass die Anzahl dieser Organismen in Fichtenwaldböden niedriger waren. Zur Bestimmung von Zellzahlen konnte auf kein klassisches mikrobiologisches Verfahren, das auf der Kultivierbarkeit der Organismen beruht, zurückgegriffen werden (z.B. die MPN-Technik), weil die mit Genmarkern nachgewiesen Organismen mit verfügbaren Methoden nicht zum Wachstum angeregt werden konnten. Deswegen wurde ein das Gen pmoA (Gen der Hydroxlyaseuntereinheit der Methanmonooxygenase) erfassendes Meßverfahren basierend auf quantitativer-PCR entwickelt. In den Böden der vier Untersuchungsstandorten war eine neue potentielle Gattung mit dem vorläufigen Namen ‚Upland Soil Cluster α’ die wichtigsten Gruppe methanotropher Bakterien. Basierend auf den gewonnen Ergebnissen konnte geschlussfolgert werden, dass die verminderte Methanaufnahme in Fichtenwaldböden, auf eine toxische Inhibition der beteiligten methanotrophen Bakterien durch die von Fichten abgegebenen Monoterpene zurückgeführt werden kann. Ergebnisse des Projekts sind bislang 5 Artikel in internationalen Fachzeitschriften mit Begutachtungsystem, 5 Diplomarbeiten, 1 Promotion und die Habilitation des Hauptantragstellers im Fach Mikrobiologie an der Universität Bayreuth.
Publications
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(2008): Inhibition of atmospheric methane oxidation by monoterpenes in Norway spruce and European beech soils. Soil Biology & Biochemistry, 40, 3014-3020
Maurer, D; Kolb, S; Haumaier, L; Borken, W
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(2009): Methane Oxidation Kinetics Differ in European Beech and Norway Spruce Soils. European Journal of Soil Science 60: 499-506
Degelmann, DM; Kolb, S; Borken, W
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(2009): The Quest for Methane-Oxidizers in Forest Soil. Environmental Microbiology Reports 1(5): 336-346
Kolb, S
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(2010): Different atmospheric methane-oxidizing communities in European beech and Norway spruce soils. Applied and Environmental Microbiology 76(10): 3228-3235
Degelmann, DM; Borken, W; Drake, HL; Kolb, S
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(2010): Methanotrophic Communities in Brazilian Ferralsols from Naturally Forested, Afforested and Agricultural Sites. Applied and Environmental Microbiology 76(4): 1307-1310
Dörr, N; Glaser, B; Kolb, S
