Bodenbiologie

• Funktionelle Bodenzoologie
• Mikrobiologie & Molekulare Ökologie

 

Funktionelle Bodenzoologie

Erfassung und Bewertung der Artenvielfalt der Bodenfauna, Quantifizierung und Bewertung ihrer Leistungen sowie Abschätzung ihrer funktionellen Bedeutung im Prozessgeschehen des Bodens

Kontakt: Prof. Dr. Stefan Schrader

Einführung

Bodentiere wirken sich positiv auf die Bodenstruktur und den Stoffumsatz aus, sind wesentlich verantwortlich für die Bodenfruchtbarkeit und lassen sich als Indikatoren für Prozesse und Zustände in Böden heranziehen.

Im Zentrum unserer Forschungsarbeiten steht die Lebensraumfunktion in Agrarökosystemen unter besonderer Berücksichtigung der Bodentiere. Wir konzentrieren uns auf die Erfassung und Bewertung der Artenvielfalt der Bodenfauna, die Quantifizierung und Bewertung ihrer Leistungen sowie die Abschätzung ihrer funktionellen Bedeutung im Prozessgeschehen des Bodens.

Sowohl der Nutzungs- als auch der Lebensraumfunktion muss die landwirtschaftliche Praxis Rechnung tragen, wie der Gesetzgeber im Bundesbodenschutzgesetz für einen verantwortungsvollen Umgang mit unseren Böden vorschreibt. Darüber hinaus gebieten die vertraglichen Verpflichtungen aus dem Übereinkommen über die biologische Vielfalt einen nachhaltigen Umgang mit dieser Vielfalt.

Aktuelle Forschungsarbeiten berücksichtigen folgende Bodentiergruppen:

• Mikrofauna: Nematoden
• Mesofauna: Collembolen, Enchytraeiden
• Makrofauna: Regenwürmer

Themen und Projektbeispiele

Biodiversität

• Artenvielfalt und räumliche Variabilität
• Strukturelle und funktionelle Vielfalt von Bodentier-Gemeinschaften
• Interaktionen zwischen Bodentieren, Mikroorganismen, Wurzeln und Boden

Funktionen der Bodenfauna

• Stofftransport und Kohlenstoff-Dynamik
• Umsetzungsprozesse organischer Substanz und Nahrungsnetze
• Neubildung von Makroporen (Gangsystem) und Bodenaggregaten (Losung)

Simulierte Klimabedingungen

• Wirkung klimarelevanter Spurengase (Kohlenstoffdioxid, Ozon) unter Feldbedingungen auf Vielfalt und Funktion von Bodentieren
• Wirkung von Trockenstress im Feld auf Vielfalt und Funktion von Bodentieren

Bodenschutz

• Bedeutung unterschiedlicher Bodenbearbeitungssysteme
• Bodenverdichtung
• Ökologischer Landbau

Ökotoxikologie

• Wirkungsmechanismen umweltrelevanter Chemikalien in der Landwirtschaft in Bezug auf Bodentiere

 

Mikrobiologie & Molekulare Ökologie

Bedeutung der mikrobiologischen Vielfalt für die Funktion von Agrarökosystemen

Kontakt: Prof. Dr. Christoph Tebbe

Einführung

Mikroorganismen sind die häufigsten Organismen auf unserer Erde. Im Gegensatz zu Pflanzen und Tieren sind sie in ihrer Vielfalt bis heute noch wenig erforscht. Vor allem der Boden, aber auch andere Substrate, beherbergen viele unbekannte Mikroorganismen. Diese Mikroorganismen sind häufig wichtige ökologische Funktionsträger und bilden aufgrund ihrer enormen Vielfalt den größten genetischen Schatz auf unserer Erde. Die Charakterisierung und Nutzung dieser bisher nicht erkannten Mikroorganismen ist daher eine ökologisch, aber auch ökonomisch und gesellschaftlich herausragende Aufgabe unserer Zeit.

Im Institut werden neue molekulare Verfahren entwickelt, die genetische Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaften zu erfassen (Molekulare Methoden). Vor allem die auf Nukleinsäureanalysen (DNA, RNA) basierenden Techniken werden genutzt, um wichtige mikrobiologische Leistungsträger zu identifizieren und ihr Vorkommen sowie ihre Veränderlichkeit in Abhängigkeit von wechselnden Umweltbedingungen, Schadstoffen oder anderer Stressfaktoren zu verstehen.

Viele unserer Projekte beschäftigen sich mit Mikroorganismen aus Böden, wobei auch der Wurzelraum, die sogenannte Rhizosphäre, und der Darm von Bodentieren berücksichtigt werden (siehe Bodenmikrobiologie). Ein besonderes Augemerk gilt der Untersuchung zu möglichen Wirkungen von gentechnisch veränderten Pflanzen auf die Bodenmikrobiologie (siehe Biologische Sicherheitsforschung). Andere Projekte beschäftigen sich mit Struktur- und Funktionsanalysen von mikrobiellen Gemeinschaften in Grund- und Oberflächenwasser, im Pansen von Nutztieren, in Komposten oder Gärsubstraten aus Biogasanlagen (siehe Umweltmikrobiologie).

Das Ziel unserer Forschungsarbeiten ist es letztendlich den Zusammenhang zwischen der strukturellen und funktionellen Biodiversität mikrobiologischer Gemeinschaften aufzuklären um so Handlungsmaßnahmen zum Schutz und zur Nutzung dieser ökosystemar wichtigsten Lebenskomponente auf unserer Erde ableiten zu können.

Unsere Forschungsarbeiten finden nicht im Alleingang sondern in unterschiedlichen nationalen und internationalen Verbundprojekten statt. Die Vernetzungen in interdisziplinär arbeitenden Projekten sind die Voraussetzung, auf internationaler Ebene wichtige Forschungsbeiträge leisten zu können und so zur Lösung zukünftiger Probleme zum Schutz der funktionellen, mikrobiellen Biodiversität beitragen zu können.

Themen und Projektbeispiele

Molekulare Methoden

Um Mikroorganismen aus Umweltproben untersuchen zu können, muss man sie zunächst vermehren. Die klassische Mikrobiologie nutzt zur Vermehrung die Kultivierung der Mikroorganismen auf Nährböden, doch nur wenige Mikroorganismen aus der Umwelt wachsen tatsächlich unter solchen Bedingungen. Zur Untersuchung der Diversität der Mikroorganismen aus der Umwelt ist es deshalb besser, kultivierungsunabhängig zu arbeiten. Hierzu kann man Nukleinsäuren direkt, zum Beispiel aus Böden, extrahieren und gezielt einzelne Gene mit der PCR-Technik im Reagenzglas vermehren. Auf Grundlage dieses Materials lassen sich mit molekularen Techniken Untersuchungen zur Vielfalt, Aktivität und Abundanz von Mikroorganismen durchführen.

Projektbeispiele Molekulare Methoden

• Genetisches Fingerprinting von mikrobiellen Gemeinschaften auf Ebene struktureller und funktioneller Gene durch direkte DNA-Analysen (keine Kultivierung, PCR-SSCP)
• Quantifizierung spezifischer mikrobieller Gruppen (Bakterien, Archaea, Pilze) mit Hilfe der real-time PCR
• Funktionelle Vielfalt von Mikroorganismen im Kohlenstoffkreislauf (SIP-Technik)
• Quantitativer Nachweis von Transkripten (mRNA) aus Umweltproben
• Statistische Analysen zur Veränderlichkeit mikrobieller Gemeinschaften (Anwendung multivariater statistischer Verfahren)
• Hochempfindliche Nachweise von rekombinanten Genprodukten aus transgenen Pflanzen in Agrarböden (ELISA Technik)

Bodenmikrobiologie

Böden beherbergen verschiedene Mikroorganismen (Bakterien, Archaea, Pilzen, Protozoen). Bakterien sind die häufigste Gruppe mit zum Beispiel 10 Milliarden Zellen pro Gramm Boden. Bakterien verfügen auch über die höchste Stoffwechsel-Vielfalt: Sie gewinnen Energie aus der Oxidation von organischen, aber auch anorganischen Verbindungen, sie können mit oder ohne Sauerstoff leben und sie bauen unterschiedlichste Naturstoffe oder industriell gefertigte Chemikalien ab. Je nach verfügbaren Substraten und Bedingungen sind im Boden unterschiedlich zusammengesetzte mikrobiologische Gemeinschaften aktiv. Die Bedingungen variieren dabei nicht nur zeitlich sondern auch räumlich, so dass selbst in einem einzelnen Gramm Boden verschiedene Mikroorganismengemeinschaften mit unterschiedlichsten Ansprüchen nebeneinander aktiv sein können. Im Institut analysieren wir die Bedeutung der spezifischen Lebensbedingungen für die Biodiversität auf verschiedenen Skalen - vom Mikrokompartiment bis zur Landschaftsebene.

Projektbeispiele Bodenmikrobiologie

• Einfluss landwirtschaftlicher Praxis auf die Abundanz sowie die strukturelle und funktionelle Vielfalt der Bodenmikroorganismen
• Partitionierung organischer Schadstoffe in Bodenmikrokompartimente und Analysen der mikrobiologischen Gemeinschaften in diesen spezifischen Habitaten
• Biogeographie mikrobieller Gemeinschaften in Agrarökosystemen (regionale Skala) (Zusammenarbeit mit Mexiko)
• Bedeutung von Bodentieren als Habitat für Mikroorganismen

Umweltmikrobiologie

Mikrobiologische Aktivitäten in der Umwelt können für Menschen nützlich oder auch schädlich sein. Zu den nützlichen Aktivitäten gehören zum Beispiel die Förderung das Pflanzenwachstums, der Abbau von Industrie- und Agrarchemikalien in Böden, die Produktion von Biogas oder die Herstellung von Komposten aus organischen Abfallstoffen. Schädlich sind Krankheitserreger für Mensch, Tier, oder Pflanze, aber auch Mikroorganismen die Toxine bilden oder Treibhausgase, wie Stickoxide, freisetzen. Landwirtschaft hat einen starken Einfluss auf die Verteilung und Aktivität von Mikroorganismen in der Umwelt, z.B., in dem Fäkalkeime oder Nährstoffe unbeabsichtigt in Oberflächengewässer und von dort in Grund- und Trinkwasser gelangen könnten. Forschungsarbeiten im Institut für Biodiversität beschäftigen sich mit dem Nachweis bestimmter Mikroorganismen aus Umweltproben um deren Verbreitung und Aktivität besser zu verstehen und ggf. Risiken für Mensch und Natur abschätzen zu können.

Projektbeispiele Umweltmikrobiologie

• Nachweis von LCKW-abbauenden Mikroorganismen in Boden- und Grundwasserproben als Indikator von natürlichem Schadstoffabbau (natural attenuation)
• Ökologie von Mikroorganismen in alkalischen Seen (Zusammenarbeit mit Indien)
• Identifizierung fäkaler Verunreinigungsquellen und deren Ausbreitung von Oberflächengewässern in das Grundwasser (Zusammenarbeit mit einen Trinkwasserversorger)
• Charakterisierung mikrobieller Lebensgemeinschaften des Pansens und ihrer Veränderlichkeit durch verschiedenen Futterqualitäten bzw. Mykotoxinen (rumen simulation technology (RUSITEC))
• Vielfalt von Clostridien in Biogasreaktoren unter besonderer Berücksichtigung des Vorkommens von Clostridium botulinum

Biologische Sicherheitsforschung

Die weltweit stark zunehmende Nutzung gentechnisch veränderter Pflanzen in der Landwirtschaft sollte von einer biologischen Sicherheitsforschung zu den Auswirkungen auf Mensch und Natur begleitet werden. In Institut für Biodiversität forschen wir im Vorfeld einer breiten landwirtschaftlichen Nutzung gezielt an der Wirkung neu entwickelter gentechnisch veränderter Pflanzen auf das Bodenleben und Analysieren das Schicksal der veränderten Gene und deren Produkten in Böden oder auch im Darm von Insekten oder Regenwürmern. Unsere Ergebnisse liefern wichtige Daten, die im Zusammenhang mit Zulassungsverfahren solcher Pflanzen wie sie durch nationales und europäisches Recht geregelt sind, genutzt werden können. Die Wirkungsmessungen von gentechnisch veränderten Pflanzen werden mit denen herkömmlicher landwirtschaftlicher Verfahren verglichen um zu erkennen, welche ökologischen Risiken und Chancen die Grüne Gentechnik tatsächlich bietet.

Projektbeispiele Biologische Sicherheitsforschung

• Auswirkungen des landwirtschaftlichen Anbaus von herbizid- bzw. resistenten gentechnisch veränderten Nutzpflanzen (Mais, Kartoffeln, Zuckerrüben) auf die strukturelle Vielfalt von Bodenmikroorganismen
• Auswirkungen des Anbaus von gentechnisch verändertem Raps auf Darmbakterien von Blüten besuchenden Bienenarten im Freiland
• Abbau von rekombinanten Genen aus transplastomischen Pflanzen in Darm von Pflanzen fressenden Larven (Transbac-Projekt)

 

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