Vegetation relevés were carried out at five of the Terrestrial Environmental Observatories (TERENO) project (www.tereno.net) sites were mown or grazed grasslands were available. The initial study design was for investigating the impact of land management (mown meadows versus grazed pastures) on plant diversity and spatial scale heterogeneity. The selected grasslands were managed as either meadows or pastures for at least the last ten years. The initial study design was a balanced, nested design with three grasslands per land management type and study site. Vegetation relevés of 10 m x 10 m were established within identified grasslands from which 10 subplots, of 1 m^2, were randomly selected to be surveyed. Within each subplot all vascular plant species were determined and their cover was visually estimated to the nearest percentage as a proxy for abundance. Data is provided as percentage cover per subplot. Plant species names were updated according to The Plant List. Due to in-field limitations and more detailed records from farmers, the final data set consists of 270 subplot records, of which 120 are within meadows and 150 within pastures. The sampling inbalance should be accounted for (see associated publication for further details, and the supplementary plot combination file). Two complementary data sets were also collected at the same plots (with the same spatial resolution) for soil microbial diversity of fungi and bacteria. These data sets have been deposited in the National Center for Biotechnology Information (NCBI) Sequence Read Archive (SRA) under the accession PRJNA563995.
Böden sind als Standort für Pflanzen und Lebensraum für eine Vielzahl von Mikroorganismen ein integraler Bestandteil von Ökosystemen. Das Kernprojekt Boden stellt grundlegende Daten über Bodeneigenschaften und Bodenfunktionen bereit. Wir organisieren zudem koordinierte Bodenprobenahmen auf den Experimentier-Flächen (EP) und beteiligen uns an der Synthese in den Biodiversitäts Exploratorien (BE). Im Vordergrund steht dabei die Fragestellung, wie sich Landnutzung und Biodiversität auf den Eintrag, die Speicherung und die Stabilität von Kohlenstoff und Nährstoffen im Boden auswirken. In der vergangenen Projektphase der BE haben wir 2017 die koordinierte Bodenprobenahme auf allen EP wiederholt und grundlegende Bodenparameter für weitere Projekte zur Verfügung gestellt. Wir haben zudem das Monitoring des Streufalls auf allen Waldflächen fortgesetzt. Wir konnten zeigen, dass der Streufall in den ungenutzten Wäldern größer als in genutzten Wäldern war, wozu insbesondere die größere Menge an Zweigen, Ästen und Früchten im ungenutzten Wald beitrug. Die Umsatzzeiten von Kohlenstoff in der organischen Auflage zeigen, dass diese sowohl durch den Standort (z.B. pH Wert, Nährstoffverfügbarkeit) als auch durch die Qualität der Streu beeinflusst werden. Der Abbau von organischer Substanz wurde auf allen Experimentier-Flächen in situ durch Messung der Bodenatmung bestimmt. Durch die Trockenheit im Sommer 2018 waren die gemessenen Bodenatmungsraten gering. Trotzdem konnten im Wald Effekte der Untersuchungsregion, der Landnutzung und der Hauptbaumart nachgewiesen werden. Die Nährstoffauswaschung wurde mit Austauscherharzen im Jahr 2018/19 kumulativ bestimmt, so dass die Analyse noch nicht abgeschlossen ist. In der kommenden Projektphase werden wir das Bodenmonitoring auf allen EP fortsetzen. In enger Kooperation mit anderen Projekten werden wir eine weitere Bodenprobenahme auf allen 300 EP organisieren. Diese Probenahme wird dann auch die neu etablierten Wald- und Grünlandexperimente einschließen. Auf allen Flächen werden wir grundlegende Bodeneigenschaften und Indikatoren für die Bodenqualität bestimmen, auch um die Vergleichbarkeit der neuen Versuchsflächen mit den bisherigen Untersuchungsflächen (den Kontrollflächen) sicherzustellen. Wir werden das Bodenprobenarchiv sowie das Streufall-Monitoring in den BE fortführen. Da die zentrale Frage des Waldexperiments ist, inwiefern ein Lückenschlag durch geänderte Resourcenverfügbarkeit die Biodiversität beeinflusst, werden wir in den neu etablierten Lücken sowohl den Streueintrag, als auch die Nährstoffverfügbarkeit im Boden bestimmen. Wir werden überprüfen, ob diese Änderungen in der Nährstoffverfügbarkeit durch den Abbau von organischer Bodensubstanz bedingt werden. Dazu werden wir die Bodenatmung, Enzymaktivitäten, den Streuabbau und die Aktivität der Bodenfauna bestimmen. Zusätzlich zu unseren bisherigen Synthese-Aktivitäten werden wir dann zur gemeinsamen Bewertung des Waldexperimentes beitragen.
Unser Wissen zur Ökologie und Bedeutung von Mikroorganismen in Böden ist umfassend. Dies gilt im Gegensatz dazu nicht für die Ökologie der Viren. Erkenntnisse dazu hinken dem Kenntnisstand aus aquatischen Lebensräumen weit hinterher. Böden beherbergen eine große Anzahl an Viren und das Viren - Wirt Verhältnis liegt meist deutlich über jenem in aquatischen Systemen. Unterschiede in den Virenpopulationen können teilweise auf unterschiedliche Bodencharakteristika (pH, Wassergehalt, Anteil an organischem Material) erklärt werden. Dies lässt den Schluss zu, dass Unterschiede in der Landnutzung entsprechend die Virenabundanz als auch Viren - Wirt Interaktionen beeinflussen. In Böden tragen bis zu 68% aller Bakterien induzierbare Prophagen, ein Hinweis darauf, dass die Heterogenität im Boden und die ungleiche Verteilung der Mikroorganismen eine lysogene Vermehrung von Viren selektiert. Dies hat zur Folge, dass der Austausch von genetischer Information zwischen Virus und Wirt vorwiegend durch Transduktion stattfindet. Bis dato analysierte Virenmetagenome aus dem Boden bestanden bis zu 50% aus transduzierten Genen prokaryotischen Ursprungs. Obwohl davon ausgegangen werden kann, dass Viren im Boden, wie für aquatische Lebensräume gezeigt, einen signifikanten Einfluss auf die räumliche und zeitliche Dynamik ihrer Wirte (Killing the Winner Hypothese) und deren kontinuierliche Anpassung (Red Queen Hypothese), wichtige Ökosystemfunktionen und biogeochemische Prozesse haben, kennen wir die Art und Häufigkeit der Interaktionen nicht und empirische Daten fehlen. Wir postulieren, dass Transduktion eine wichtige Rolle für die Resilienz von Böden unter intensiver Landnutzung spielt, da in diesen Böden i) die mikrobielle Diversität vergleichsweise niedrig ist, was zu einer erhöhten Sensitivität gegenüber Veränderungen in den Umweltbedingungen führt. Andererseits, ii) hat die durch Düngung erhöhte spezifische Aktivität von Mikroorganismen eine erhöhte Transduktionsrate zur Folge, da Viren für ihre Vervielfältigung auf metabolisch aktive Wirte angewiesen sind. Um unsere Hypothese zu überprüfen, werden wir an 150 Standorten der Biodiversitäts-Exploratorien und im Detail an einer Auswahl an Grünlandstandorten mit unterschiedlicher Intensität der Bewirtschaftung Untersuchungen durchführen. Analysiert wird die Beziehung zwischen Virenabundanzen und VBRs mit der Bewirtschaftung, der Vegetationsperiode und den vorherrschenden Umweltbedingungen. Zusätzlich untersuchen wir mit Hilfe moderner molekularer Methoden die Zusammensetzung der Virengemeinschaften und ihre Diversität, sowie viren-assoziierte Funktionen prokaryotischen Ursprungs. Experimente zu Virus-Wirt Interaktionen und die Analyse von CRISPR like structures in den prokaryotischen Wirten werden Erkenntnisse zu der Ökologie bakterieller Gemeinschaften liefern. Nicht zuletzt werden wir Viren von abundanten Bodenbakterien (z.B. Pseudomonaden) für vergleichende Genomanalysen und Kreuzinfektionsversuche isolieren.
Methan (CH4) ist, neben CO2 das zweitwichtigste Treibhausgas (GHG). Die aktuelle atmosphärische Methankonzentration steigt seit 2007, vermutlich aufgrund von anthropogenem Einfluss bedingt durch intensivierte landwirtschaftliche Lebensmittelproduktion, stark an. Eine wichtige Aufgabe wird es zukünftig sein, die heutige Intensität der Landwirtschaft produktiv, aber auch gleichzeitig klimaneutral zu gestalten um dem Lebensmittelbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung zu entsprechen. Zwei fundamental unterschiedliche Gruppen von Prokaryoten sind für den CH4 Umsatz in Böden verantwortlich. Methanotrophe Bakterien (MOB) wirken durch die Oxidation von atmosphärischem CH4, und von CH4, das durch methanogene Archaea im Boden produziert wurde bevor es die Atmosphäre erreicht, als biologische Filter. Derzeit ist nicht geklärt, inwieweit sich Unterschiede in der Landnutzungsintensität auf die funktionelle Diversität und die Aktivität dieser im Methanzyklus wichtigen Mikroorganismengruppen auswirken. Erste Untersuchungen zeigen einen negativen Effekt von hoher Nutzungsintensität auf die Methanaufnahme von gut belüfteten Grünlandböden. Allerdings ist wenig bekannt über den Einfluss der Landnutzungsintensität auf die räumliche und zeitliche Dynamik methanotropher und methanogener Bodenmikroorganismen. Wir haben ein interdisziplinäres Konsortium aus Experten der Bodenkunde, der Mikrobiologie und der Metagenomik mit komplementären Expertisen zu bodenbürtigen Treibhausgasen, methanotrophen und methanogenen Prokaryoten zusammengestellt. Durch die Kombination von aktuellen Methoden wollen wir die Biodiversitätsexploratorien als ideale Plattform nutzen, um die Frage zu beantworten, inwieweit Landnutzungsintensität die funktionelle Diversität und Aktivität von Methanumsetzenden Mikroorganismen beeinflusst.Die zugrundeliegenden Hypothesen wollen wir in zwei Arbeitspaketen (WP) überprüfen. Innerhalb von WP1 wollen wir untersuchen, welche Auswirkungen die Landnutzungsintensität von Grünland und Waldflächen auf die Methanflüsse und die Abundanz und Diversität von methanotrophen Bakterien (quantitative PCR) hat, und inwieweit dies von Umweltfaktoren abhängt. In WP2 wollen wir die jahres- und tageszeitliche Dynamik der Aktivität von methanogenen und methanotrophen Prokaryoten (mittels Metatranskriptomik und Methanfluss Messungen) untersuchen, und inwieweit diese durch Grünlandnutzungsintensität beeinflusst wird. Hierbei wird unser Fokus auf dem Vergleich auf Grünlandflächen auf wasserbeeinflussten Histosolen und gut durchlüfteten Leptosolen liegen. Unser Projekt BE-CH4 wird zu dem dringend benötigten Wissen um den Einfluss von Grünland- und Waldnutzungsintensität auf die räumliche und zeitliche Dynamik von den Methanfluss aus, und in Böden bedingenden Mikroorganismen beitragen.
Gesamtziel des Vorhabens ist die Identifizierung und Verifizierung mikrobieller Systemzustandsindikatoren und die Entwicklung von darauf basierenden Prozessmodellen zur störungsfreien und bedarfsgerechten Prozesssteuerung. Damit wird die zukünftig verstärkte Nutzbarkeit von Reststoffen unterstützt, die oft schwer vergärbar und/oder prozesskritisch sind und in wechselnder Menge und Zusammensetzung anfallen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in Laborfermentern gezielt und systematisch praxisrelevante Prozessvariationen (inkl. typische Stresssituationen) für unterschiedlich widerstandsfähige Biogas-Mikrobiome herbeigeführt, um mikrobielle Indikatoren für spezifische Systemzustände und deren Stresstoleranzpotenzial gegenüber wirkenden und stetig wechselnden Umweltfaktoren zu identifizieren. Im Ergebnis sollen Schwellenwerte für kritische Prozessbedingungen festgestellt werden, unter denen sich die Indikatorarten bzw. Indikatorgruppen anreichern oder reduzieren/verschwinden. Damit sollen die Voraussetzungen geschaffen werden, um einfache, schnelle und kostengünstige mikrobiologische Nachweisverfahren entwickeln und anwenden zu können. Über Modelle zur zeitlichen Entwicklung der mikrobiellen Diversität, insbesondere mikrobieller Systemzustandsindikatoren sollen Vorhersagen getroffen werden, wie mikrobielle Gemeinschaften auf Prozessvariationen reagieren, um Handlungsempfehlungen zur Vermeidung von Prozessstörungen im Praxisbetrieb abzuleiten.