Phototrophic community succession as driver of mineral weathering and soil formation along chronosequences in maritime Antarctica
Final Report Abstract
Organismen, die Photosynthese betreiben, sind in der Lage, ihre Bodenumgebung zu verändern, indem sie einen Teil der gewonnenen Energie in biogene Verwitterungsprozesse investieren, die von mikrobiellen Symbionten durchgeführt werden, um Nährstofflimitationen zu überwinden. Die koevolutiven Prozesse hinter diesem Entwicklungsprozess und die biogenen Verwitterungsfähigkeiten seiner Glieder sind jedoch nach wie vor unklar. Ziel dieses Projektes war es am Beispiel von Gletscherrückzugssequenzen in der maritimen Antarktis, die historisch frühe Stadien der Bodenentwicklung darstellen, die biogene Verwitterung durch Symbionten als ein möglicherweise evolutives Grundmerkmal terrestrischer Symbiosen zwischen Photoautotrophen und Bodenorganismen zu identifizieren und zu verstehen. Hierbei galt das Augenwerk besonders möglichen Kipppunkten entlang der Entwicklungslinie von einfachen Algen über Flechten und Moosen hin zur höheren Pflanze. Die Antarktis ist praktisch der einzige Orte für solche Untersuchungen, da in allen anderen Gletscherrückzugschronosequenzen höhere Pflanzen bereits bis auf die ganz jungen Flächen vordringen. Wir fanden eine starke Wechselwirkung zwischen den funktionellen Eigenschaften der Pflanzen, ihren mikrobiellen Symbionten und der Beschaffenheit des Transportweges der reduzierten Kohlenstoffverbindungen in den Boden. Hierbei kam es erst mit Sukzession von in den Boden mittels Rhizinen vordringender Moose zur erwarteten Beschleunigung der biogenen Verwitterung, also einem echten Kipppunkt. Interessanterweise änderte sich das Verhalten des organischen Kohlenstoffs im Boden grundlegend hin zum Mykorrhizo-priming, einem Effekt der vorher nicht zu beobachten war. Insgesamt waren die Pilze die stärksten Verwitterer entlang der Chronosequenz und übertrafen die Bakterien bei weitem. Die biogene Verwitterung folgt dabei der Bruttoprimärproduktion der Photoautotrophen und nicht der Konzentration organischen Kohlenstoffs im Boden, was darauf hindeutet, dass frisch assimilierter Kohlenstoff der Treibstoff der biogenen Verwitterung ist und Pilze ihr primärer Eintragspfad in den Boden sind. Photoautotrophe Organismen, die weder über einen leistungsfähigen photosynthetischen Apparat noch über Strukturen verfügen, die ein tieferes Eindringen in den Boden oder die Aufnahme von Symbionten zur weiteren Ausbreitung ihres Aktionsradius im Boden ermöglichen, sind also nicht in der Lage, ihre Nährstoffversorgung durch diesen Prozess zu verändern. Die vierfache biogene Verwitterungsaktivität in den Stadien der Klimasukzession und die zehnfache Konzentration von frei verfügbarem Eisen in der Austauschmatrix des Bodens (von 0,5 bis 5 cmolc kg-1) im Vergleich zu den Anfangsstadien der Bodenentwicklung deuten auf einen bedeutenden Beitrag der biogenen Verwitterung zur Freisetzung von Eisen aus Tonmineralen entlang der Chronosequenz hin. Wenn die Projektionen einer Zunahme der eisfreien Gebiete in der maritimen Antarktis um 25% bis zum Ende dieses Jahrhunderts zutreffen, wird ein größerer Teil davon einen Sukzessionswechsel hin zu Stadien mit erhöhter biogener Verwitterungsfähigkeit erleben. Dies wird wahrscheinlich zu einem starken Eiseneintrag in den Antarktischen Ozean führen, mit unvorhersehbaren Folgen für die Stabilität der Nahrungsketten und des Ökosystems insgesamt.
Publications
- Phototrophic community succession as driver of mineral weathering and soil formation along chronosequences in maritime Antarctica – gross primary production (GPP) along successional gradients. 25-27 September, 2013. Bochum, Germany
Boy J., Shibistova O., Farkas D., Mikutta R., Godoy R. & Guggenberger G.
- (2014): Biogenic weathering as related to energy input into soil in maritime Antarctica. SCAR meeting, Aug. 2014, Auckland
Boy J., Godoy R., Shibistova O., Boy D., Aguirre M., Mikutta R., Guggenberger G.
- 2014. Meteorización biogénica en suelos desde el retroceso glaciar en la Antárctica. Chile, LVII Reunión Anual de la Sociedad de Biología de Chile, Puerto Varas 26-27 Noviembre, 2014
Godoy R., Boy, J. , Shibistova O. , Boy D. , Aguirre-Morales M. , Mikutta R. , Guggenberger G.
- (2015). Microalgae communities in antarctic soils: Changes along soil developmental stages and testing for Geographical distribution. European journal of phycology 50
Rybalka, N., Boy, J., Nacke, H., Daniel, R., & Friedl, T.
(See online at https://doi.org/10.1080/09670262.2015.1069489) - (2015): Biogenic weathering along Antarctic chronosequences supporting a phototrophic community succession. DBG (meeting of the German Soil Science Society), Sept. 2015 Munich
Aguirre M., Dechene A., Boy J., Guggenberger G.
- Biogenic weathering along temporal gradients of soil development induced by glacier retreat at Fildes Peninsula, King George (Maritime Antarctica). 26. Internationale Polartagung, München, Sept 2015
Godoy R, Boy J., Shibistova O., Farkas D., Aguirre-Morales M., Mikutta R., Mc Culloch, R., & Guggenberger G.
- (2016). Desiccation tolerance and growth-temperature requirements of Coccomyxa (Trebouxiophyceae, Chlorophyta) strains from Antarctic biological soil crusts. Algological Studies
Pfaff, S., Borchhardt, N., Boy, J., Karsten, U., & Gustavs, L.
(See online at https://doi.org/10.1127/algol_stud/2016/0245) - (2016). Successional patterns along soil development gradients formed by glacier retreat in the Maritime Antarctic, King George Island. Revista Chilena de Historia Natural, 89
Boy, J., Godoy, R., Shibistova, O., Boy, D., McCulloch, R., De La Fuente, A. A., Morales, M. A., Mikutta, R., & Guggenberger, G.
(See online at https://doi.org/10.1186/s40693-016-0056-8) - (2017). Diversity of algae and lichens in biological soil crusts of Ardley and King George islands, Antarctica. Antarctic science, 29(3), 229-237
Borchhardt, N., Schiefelbein, U., Abarca, N., Boy, J., Mikhailyuk, T., Sipman, H. J. M., & Karsten, U.
(See online at https://doi.org/10.1017/S0954102016000638) - (2017). Microalgae communities in soils: Changes along soil developmental stages and testing for geographical distribution. Phycologia 56(4)
Rybalka, N., Boy, J., Godoy, R., Tzvetkova, A., Roo s, C., Noll, A., & Friedl, T.
(See online at https://doi.org/10.2216/0031-8884-56.sp4.1) - Microalgae communities in Antarctic soils: changes along soil developmental stages and testing for geographical distribution,27th International Polar Conference, Rostock,March 2018
N. Rybalka, J. Boy, R. Godoy, A. Tzvetkova, C. Roos, A. Noll, T. Friedl
(See online at https://doi.org/10.2312/BzPM_0716_2018)
