Mit Mikroben gefüllte Bodenkrusten, die durch den Klimawandel bedroht sind

Mit einer neuartigen Methode zum Nachweis der mikrobiellen Aktivität in biologischen Bodenkrusten oder Biokrusten nach deren Benetzung hat ein von der Penn State University geleitetes Forschungsteam in einer neuen Studie Hinweise entdeckt, die zu einem besseren Verständnis der Rolle von Mikroben bei der Bildung von Lebewesen führen werden Haut über vielen semiariden Ökosystemen auf der ganzen Welt. Die winzigen Organismen – und die von ihnen geschaffenen Mikrobiome – sind durch den Klimawandel bedroht.

Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in Grenzen der Mikrobiologie.

„Biokrusten bedecken derzeit etwa 12 % der Erdoberfläche, und wir gehen davon aus, dass sie aufgrund des Klimawandels und der Intensivierung der Landnutzung innerhalb von 65 Jahren um etwa 25 bis 40 % zurückgehen werden“, sagte Teamleiterin Estelle Couradeau, Assistenzprofessorin für Biokrusten an der Penn State University Böden und Umweltmikrobiologie. „Wir hoffen, dass diese Arbeit den Weg zum Verständnis der mikrobiellen Funktionen ebnen kann, die die Widerstandsfähigkeit der Biokruste gegenüber den sich schnell ändernden Klimamustern und häufigeren Dürren unterstützen.“

Biologische Bodenkrusten sind Ansammlungen von Organismen, die eine beständige, gut organisierte Oberflächenschicht im Boden bilden. Sie sind weit verbreitet und kommen auf allen Kontinenten überall dort vor, wo Wassermangel das Wachstum gewöhnlicher Pflanzen einschränkt und es dem Licht ermöglicht, den nackten Boden zu erreichen. Aber es gibt immer noch genügend Wasser, um das Wachstum von Mikroorganismen zu unterstützen, die wertvolle Ökosystemleistungen erbringen, wie z. B. die Aufnahme von Kohlenstoff und Stickstoff aus der Luft und deren Fixierung im Boden, die Wiederverwertung von Nährstoffen und das Zusammenhalten von Bodenpartikeln, was zur Staubvermeidung beiträgt.

Diese bodenstabilisierende Funktion – die die Erosion reduziert, indem sie dafür sorgt, dass der Boden verklumpt und nicht zu Staub zerfällt – ist laut Couradeau äußerst wichtig. Ihre Forschungsgruppe, die jetzt am Penn State College of Agricultural Sciences angesiedelt ist, beschäftigt sich seit einem Jahrzehnt intensiv mit Biokrusten.

„Der meiste Staub entsteht in Trockengebieten, und Studien deuten darauf hin, dass das Vorhandensein von Biokrusten in Trockengebieten die Staubmenge, die sonst in die Atmosphäre gelangen würde, erheblich reduziert“, sagte sie. „Wir gehen davon aus, dass der Verlust von Biokrusten zu einem Anstieg der weltweiten Staubemissionen und -ablagerungen um 5 bis 15 % führen würde – was Auswirkungen auf das Klima, die Umwelt und die menschliche Gesundheit hätte.“

In den semiariden Regionen, in denen Biokrusten vorkommen, könnten die Organismen – winzige Moose, Flechten, Grünalgen, Cyanobakterien, andere Bakterien und Pilze – nur wenige Regen- oder Schneeereignisse im Jahr erleben, erklärte Ryan Trexler, ein Doktorand in diesem Bereich Intercollege Graduate Degree Program in Ökologie und Biogeochemie, der die Forschung leitete.

„Wenn der Boden trocken ist, ruhen die Mikroben im Boden größtenteils und bewirken nicht viel“, sagte er. „Aber sobald sie Wasser spüren, werden sie sehr schnell wiederbelebt, innerhalb von Sekunden bis Minuten. Und sie produzieren aktiv Chlorophyll und binden Kohlenstoff und Stickstoff, bis der Boden wieder trocken ist – und dann gehen die Mikroben wieder in den Ruhezustand. Sie gehen durch.“ Aktivitätszyklen jedes Mal, wenn es regnet.

Um Biokrusten zu untersuchen, entnahmen die Forscher Proben aus drei Parzellen ungestörter, von Cyanobakterien dominierter Biokrusten auf dem Colorado-Plateau in der Nähe von Moab, Utah. Biokrustenproben wurden im Herbst nach Regenfällen entnommen, die den Boden ausreichend benetzten, um die Mikroben zu aktivieren. Die Proben wurden anschließend getrocknet und im Dunkeln gelagert und viel später im Forschungsverlauf wieder befeuchtet.

„Wir haben etwas beprobt, was wir ‚kalte Wüste‘ nennen, weil es sehr trocken ist, aber im Winter schneit es manchmal“, sagte Trexler. „Es ist also nicht so heiß wie an vielen anderen trockenen Orten, aber dennoch können Pflanzen dort nicht gedeihen, weil es nicht genug Wasser gibt. Daher sind die einzigen Lebensgemeinschaften, die wir in den Böden an diesem Standort finden, Mikroben.“

Um festzustellen, welche Mikroorganismen in Bodengemeinschaften aktiv sind, koppelten die Forscher die bioorthogonale nichtkanonische Aminosäuremarkierung – bekannt als BONCAT – mit der fluoreszenzaktivierten Zellsortierung. BONCAT ist ein leistungsstarkes Tool zur Verfolgung der Proteinsynthese auf der Ebene einzelner Zellen innerhalb von Gemeinschaften und ganzen Organismen, während die fluoreszenzaktivierte Zellsortierung Zellen danach sortiert, ob sie neue Proteine ​​produzieren.

Die Forscher kombinierten diese Prozesse mit der metagenomischen Shotgun-Sequenzierung, die es ihnen ermöglichte, alle Gene aller in Biokrustenproben vorhandenen Organismen umfassend zu untersuchen. Sie wandten diese Methode an, um die Diversität und die potenziellen funktionellen Fähigkeiten sowohl aktiver als auch inaktiver Mikroorganismen in einer Biokrustengemeinschaft zu profilieren, nachdem sie durch ein simuliertes Regenereignis wiederbelebt wurden. Die Forscher fanden heraus, dass ihr neuartiger Ansatz aktive und inaktive Mikroorganismen in benetzten Biokrusten unterscheiden kann.

Die aktiven und inaktiven Bestandteile der Biokrustengemeinschaft unterschieden sich sowohl vier als auch 21 Stunden nach dem Benetzungsereignis in Artenreichtum und Zusammensetzung, berichteten die Forscher.