Mikrobielle Speicherstoffe: Unterschätzte Komponenten des Bodenkohlenstoffkreislaufes?

Description: Die mikrobielle Transformation organischer Bodensubstanz ist von zentraler Bedeutung für Boden-Klima-Interaktion, Pflanzenernährung und Ökosystemgesundheit. Generell wird angenommen, dass Mikroorganismen Kohlenstoff (C) aufnehmen, um diesen als Energiequelle zu veratmen oder für Zellwachstum zu nutzen, was oft der Zellreplikation gleichgesetzt wird. Auf dieser Annahme basieren stöchiometrisch-ökosystemare Konzepte, welche mikrobielle C-Transformationen mit Nährstoffverfügbarkeiten koppeln. Jedoch lassen Studien an Reinkulturen Zweifel an diesem engen Konzept aufkommen, da verschiedenste Archaeen, Bakterien und Pilze Energie und Kohlenstoff in Form intrazellulärer Speicherstoffe speichern können. Obwohl diese Speicherstoffe äußerst bedeutsam für die mikrobielle Aktivität unter sich ändernden Umweltbedingungen sein können, sind sie bislang wenig untersucht. Erste Arbeiten zeigten, dass Speicherstoffe nativ im Boden vorkommen, unter hoher C-Verfügbarkeit gebildet werden aber ihre Bildung unter hoher Nährstoffverfügbarkeit unterdrückt wird. Saisonale Fluktuationen von Speicherstoffen wurden nachgewiesen und könnten die Basis anhaltender mikrobieller Aktivität im Winter sein. Eine systematische Untersuchung der quantitativen und funktionellen Relevanz mikrobieller Speicherstoffe in Böden steht jedoch bisher noch aus. Dieses Projekt wird vier zentrale Speicherstoffe (Triacylglyceride, Polyhydroxyalkanoate, Glykogen, Trehalose) unter Dauergrünland mithilfe der Kombination komponentenspezifischer Analytik, deren Kopplung mit 13C-Isotopenmarkierung und der Bestimmung mikrobieller Biomasse sowie der Zusammensetzung und Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft untersuchen. Das Projekt beinhaltet fünf Arbeitspakete (WP): WP 1 überträgt Analysemethoden zur Glykogen- und Trehalosequantifikation auf Böden und erweitert sie um deren 13C-Messung zum Nachweis ihrer Neusynthese. WP 2 quantifiziert die C-Allokation in die vier Speicherstoffe unter verschiedenen Nährstoffverfügbarkeiten und wird zeigen, wie sich akkumulierte Speicherstoffe auf die Nutzung nachfolgend eingebrachter C-Quellen auswirken. WP 3 erweitert diese Erkenntnisse auf ein Boden-Pflanzen-System mittels 13CO2-Begasung um erstmalig die Synthese von Speicherstoffen aus Photoassimilaten zu bestimmen. WP 4 hat zum Ziel die Erkenntnisse auf der Feldebene um den Aspekt der Saisonalität von Speicherstoffvorräten zu erweitern. Letztlich vereinigt WP 5 alle Ergebnisse dieser WP mittels Modellierung durch Erweiterung des bestehenden SMMARTS-Models um Speicherstoffe. Dies erlaubt erweiternd die Simulationen der mikrobiellen Variabilität und Dynamik. Dieses Projekt betrachtet zentrale Speicherstoffe auf verschiedensten Skalen (Labor, Feld, Modellierung), um deren Relevanz für C- und N-Kreis zu eruieren. Dabei wird dieses Projekt nicht nur die Methoden sondern auch neue Erkenntnisse zur Integration mikrobieller Speicherstoffe in der Bodenökologie und -biogeochemie liefern.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Humus ? Kohlenstoff ? Bodenökologie ? Bodenkunde ? Bakterien ? Pflanzenverfügbarkeit ? Analyseverfahren ? Energiequelle ? Energiespeicher ? Monokultur ? Pflanzenernährung ? Studie ? Mikroorganismen ? Pilz ? Biologische Aktivität ? Modellierung ? Dauergrünland ? Arbeit ? Biomasse ? Standortbedingung ? Soil Sciences ?

Region: Baden-Württemberg

Bounding boxes: 9° .. 9° x 48.5° .. 48.5°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Eberhard Karls Universität Tübingen (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2019-01-01 - 2025-12-31

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Microbial storage compounds: A neglected dimension of soil C cycling
  Description: Microbial transformation of organic matter in soil is of fundamental importance to soil-climate feedbacks, plant nutrition, and ecosystem health. It is generally presumed that carbon (C) taken up by microbes is either respired as CO2 or used for growth, with this growth envisioned as cell replication. This concept is central to current models of soil C cycling and plays a pivotal role in theories of ecological stoichiometry, connecting microbial C transformation to the supply of key nutrients. However, evidence from pure culture microbiological studies demonstrates that a diversity of archaea, bacteria and fungi accumulate intracellular storage compounds, up to 50% of their dry cell biomass. The ability to store C for future growth or energy has profound implications for soil microbial activity, stoichiometry, and responses to environmental variability. Existing evidence confirms that storage compounds occur naturally in soil and are accumulated under high C supply, but suppressed under high nutrient supply, which likely favours replicative growth. Seasonal fluctuations have been reported, suggesting that storage may support microbial activity over winter. However, a consistent and systematic investigation of the quantitative and functional significance of microbial storage in soil is still lacking.This project will examine four important storage compound classes (triacylglycerides, polyhydroxyalkanoates, glycogen and trehalose) in a pasture soil by combining compound-specific analysis and 13C stable isotope probing (13C-SIP) with complementary measures of microbial biomass, activity and community structure. The research is divided into five work packages (WPs): in WP 1, methods of glycogen and trehalose quantification will be adapted for soils, extended to 13C-SIP and used to test for storage compound presence and synthesis in the pasture soil; WP 2 will quantify C allocation to each of the four storage compounds under differing nutrient availability, determine storage compound turnover rates, and reveal how storage influences the microbial response to subsequent inputs; WP 3 will extend these insights to a plant-soil system, using 13CO2 labelling to demonstrate and quantify belowground storage compound synthesis from photosynthates; WP 4 will elucidate seasonal variation in soil storage compound levels and implications for microbial activity e.g. during winter. Finally, the outcomes of all work packages will be synthesized by modelling in WP 5, in which the existing SMMARTS microbial C model will be adapted to include storage and used to explore the implications for microbial dynamics. The proposed research will consider key storage compounds across a range of scales (laboratory to field, and modelling). The project will thereby determine the importance of microbial storage for soil C and N cycling, and provide a basis of methods and new knowledge for the integration of microbial storage into soil ecology and biogeochemistry. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140461

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/434040903 (Webseite)

Status

Aktiv

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