Bodenmikroben nutzen verschiedene Wege, um Kohlenstoff zu metabolisieren

Vieles, was Wissenschaftler über den Stoffwechsel im Boden denken, kann falsch sein. Neue Erkenntnisse der Northern Arizona University deuten darauf hin, dass Mikroben in verschiedenen Böden unterschiedliche biochemische Wege nutzen, um Nährstoffe zu verarbeiten, zu atmen und zu wachsen. Die Studie, veröffentlicht im letzten Monat in Pflanze und Bodenstellt lang gehegte Annahmen auf dem Gebiet der Bodenökologie auf den Kopf und fordert, dass mehr Untersuchungen und Methoden mit höherer Auflösung auf das angewendet werden, was eine Black Box für das Feld war.

„Als Ökologen denken wir im Allgemeinen nicht über den Bodenstoffwechsel in Bezug auf Pfade nach“, sagte Paul Dijkstra, Forschungsprofessor für Biologie am Zentrum für Ökosystemwissenschaft und -gesellschaft an der NAU und Hauptautor der Studie. „Aber wir haben jetzt Beweise dafür, dass der Stoffwechsel von Boden zu Boden unterschiedlich ist. Wir sind die ersten, die das sehen.“

„Wir haben gelernt, dass die Biochemie – genauer gesagt, die Stoffwechselwege, die die Bodenmikrobiota wählt – wichtig ist, und das ist sehr wichtig“, sagte Co-Autorin Michaela Dippold, Professorin für Geo-Biosphären-Interaktionen an der Universität Tübingen in Deutschland. „Unser Fachgebiet muss dringend experimentelle Ansätze entwickeln, die den Erhaltungsenergiebedarf und die zugrunde liegende Atmung robust quantifizieren. Das ist eine Herausforderung, auf die die zukünftige bodenökologische Forschung reagieren muss.“

Als Teil der Arbeit seines Teams, die Bodenökologie zu einer spezifischeren, quantitativ strengen Wissenschaft zu machen, adaptierte Dijkstra eine Methode aus der grundlegenden und angewandten Mikrobiologie, die verwendet wird, um den Stoffwechsel einzelner mikrobieller Arten unter Laborbedingungen zu modellieren. Bei dieser als 13C-Stoffwechselflussanalyse bezeichneten Technik werden die Kohlenstoffatome an jeder Position in einem Glukosemolekül markiert, sodass eines von den anderen unterschieden werden kann. Durch Zugabe dieser markierten Glukose zu einer Bodenprobe können die Forscher verfolgen, wie viel CO2 von jedem Kohlenstoffatom im Molekül produziert wurde. So wie ein einzelner Buchstabe, der in der Gameshow „Glücksrad“ enthüllt wird, auf einen ganzen Satz hinweisen kann, ist das positionsspezifische CO2 ein Hinweis auf den eingeschlagenen biochemischen Weg.

„Als wir 2011 diese Methode zur Unterscheidung von Stoffwechselwegen im Boden entwickelten, hatten wir im Wesentlichen eine Antwort auf eine Frage, die noch niemand gestellt hatte“, sagte Dijkstra.

Als sein Team diese markierte Glukose einem Sumpfboden, einem alpinen Nadelwaldboden und einem kühlen Wüstengrasboden hinzufügte, bemerkten sie, dass das meiste CO2 vom dritten C-Atom in einem Boden produziert wurde, aber vom ersten C-Atom in die anderen beiden Böden, was darauf hindeutet, dass die Bodenmikrobengemeinschaft in jedem einen anderen biochemischen Weg zur Verarbeitung des Zuckers verwendete. Die Standardannahme in vielen ökologischen Modellen ist, dass der Bodenstoffwechsel ein homogener Prozess ist, dessen Geschwindigkeit, aber nicht sein Weg sich ändert.

Bei Dijkstra sorgten die ersten Messungen für eine Art Aha-Moment. „Es war ein Freitag um 4 Uhr und mir war langweilig, also ging ich runter ins Labor. Ich machte schnell eine Mischung aus diesen Kohlenstoffisotopen, injizierte sie in den Boden und maß das resultierende CO2. Nach 40 Minuten war ich hörte auf. Und ich warf alles weg, weil ich nicht glaubte, dass ich sah, was ich sah.“

Während die Forscher noch nicht wissen, warum Bodengemeinschaften unterschiedliche Pfade verwenden, ist eine Hypothese, dass einige Pfade in bestimmten Umgebungen Schutz vor Sauerstoffstress bieten.

Der vom Team vorgeschlagene Rahmen hat weitreichende Auswirkungen auf die zukünftige Bodenforschung und -bewirtschaftung. Wenn, wie das Team vermutet, ein kleiner Teil des Bodenmikrobioms hochaktiv und für die Metabolisierung und Mobilisierung von Nährstoffen optimiert ist, wird es für die Forscher wichtig sein, zu wissen, wer diese Mikroben sind, und ihre Effizienz zu unterstützen, sagte Dippold. Raubtier- und Weidemikroben könnten eine wichtige Dynamik im Gemeinschaftsstoffwechsel kontrollieren, sagte Dijkstra, so dass mehr über die trophische Dynamik verschiedener Böden auf Managementstrategien hinweisen könnte.

In einem Gebiet, das sich in der Vergangenheit auf Proxy-Messungen verlassen hat, um zu beschreiben, wie Mikroben essen, Zellen bauen, atmen und sterben, legt diese Studie nahe, dass diese Platzhalterannahmen die Fähigkeit des Gebiets behindern könnten, sein Wissen über Böden auf die Herausforderung der Klimaerwärmung.

„Die Bodenökologie lässt sich nicht in einem einfachen Proxy zusammenfassen“, sagt Dippold. „Wir müssen uns auf den mikrobiellen Stoffwechsel in Böden konzentrieren, und wir brauchen dazu vielfältigere und leistungsfähigere Werkzeuge – egal, wie schwierig solche Studien auch sein mögen. Wenn nicht, werden wir immer wieder zu nicht schlüssigen Ergebnissen kommen, deren zugrunde liegende Prozesse es sind nicht gut verstanden.“ Das, sagte Dippold, wird unsere Fähigkeit einschränken, mikrobiologische Prozesse im Boden zu manipulieren, um Treibhausgasemissionen zu mindern und die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf die Bodengesundheit zu reduzieren.

Neben Dijkstra und Dippold gehörten zum Forschungsteam Ayla Martinez (Northern Arizona University), Scott Thomas (New York University), Cale Seymour (University of Nevada-Las Vegas), Weichao Wu (Shanghai Ocean University), Patrick Megonigal (Smithsonian Environmental Research Center), Egbert Schwartz (Northern Arizona University) und Bruce Hungate (Northern Arizona University).