Charakterisierung der mikrobiellen Population und Untersuchungen zum Quorum Sensing in der Rhizosphäre vom Weidelgras (Lolium perenne) auf einer Rückstandshalde der Kaliindustrie

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Dynamik und die Kommunikation innerhalb der mikrobiellen Population der Rhizosphäre von Deutschem Weidelgras (Lolium perenne) untersucht, welches auf einer teilweise rekultivierten Rückstandshalde der Kaliindustrie wuchs. Um die niederschlagsbedingte Auswaschung von Salzen zu reduzieren, wird die Rückstandshalde des Kaliwerks Sigmundshall (in Bokeloh bei Hannover) schrittweise mit dem technogenen Abdecksubstrat REKAL/SAV ummantelt. Dieses weist eine hohe Standfestigkeit und Wasserspeicherkapazität auf und kann zudem begrünt werden, wofür als Pionierpflanze Lolium perenne dient. Durch diese Rekultivierung wird Niederschlag besser gespeichert und über Evapotranspiration wieder in die Luft abgegeben, was letztendlich die Bildung von Salzwasser vermindert. Da das Abdecksubstrat neben alkalischem pH-Wert auch teilweise hohe Schwermetallkonzentrationen aufweist, sollte in der vorliegenden Arbeit erstmals die mikrobielle Rhizosphären-Gemeinschaft in diesem extremen Habitat mittels einer kulturunabhängigen Methode erforscht werden. Zudem wurden erste Untersuchungen angestellt, ob im Substrat die zelldichte-abhängige bakterielle Kommunikation (Quorum Sensing) nachgewiesen werden kann. Mittels extrahierter Gesamt-DNA wurde anhand der 16S rDNA die Analyse des „Terminalen Restriktonsfragmentlängenpolymorphismus“ (TRFLP) verwendet, um die komplexe bakterielle Rhizosphären-Gemeinschaft unter zeitlichen und lokalen Aspekten zu vergleichen. Auftretende Veränderungen bei den bakteriellen Populationen der jeweiligen Proben wurden durch eine Zu- oder Abnahme der auch als Ribotypen bezeichneten terminalen Restriktionsfragmente (TRF) erfasst. Hierbei zeigten sich am Südhang der Halde während der Sommermonate der Jahre 2008 und 2009 zwar Schwankungen in den bakteriellen Gemeinschaftsprofilen, es lagen jedoch keine eindeutigen Dynamiken vor. Im Vergleich zum Südhang der Halde wies der Nordhang eine höhere Ribotyp-Diversität auf, was mit der fortgeschritteneren Rekultivierung dieses Haldenabschnitts zusammenhängen könnte. Zusätzlich wurden Bakterien aus der Rhizosphäre von Lolium perenne isoliert und mithilfe der Biosensoren Agrobacterium tumefaciens A136 pCF218 pCF372 und Chromobacterium violaceum CV026 auf die Produktion von N-Acylhomoserinlactonen (AHLs) überprüft. Diese AHLs werden von Gram-negativen Mikroorganismen als Signalmoleküle verwendet, um ihre Genexpression zelldichteabhängig zu kontrollieren. Von den 47 getesteten Gram-negativen Rhizosphärenisolaten konnten nur bei einem reproduzierbar AHL-Moleküle mithilfe des Reporterstamms A. tumefaciens nachgewiesen werden. Der AHL-Produzent wurde als Pseudomonas fluorescens identifiziert. Mittels dünnschichtchromatographischer Analysen konnten die extrahierten bakteriellen AHL-Moleküle den N-Octanoyl-L-homoserinlactonen zugeordnet werden.

Die mikrobielle Besiedlung von Wurzeloberfläche und Rhizosphäre in ihrer Bedeutung für Stoffumsätze in Böden

Im Vordergrund der Arbeit stand die Erfassung der mikrobiellen Biomasse bzw. Residualmasse an der Wurzeloberfläche, im Rhizosphärenboden und im umgebenden Boden. Durch den Vergleich von verschiedenen Methoden zur Erfassung der mikrobiellen Biomasse wurden die Gehalte von pilzlichem und bakteriellem Kohlenstoff an der Rhizoplane und in der Rhizosphäre quantifiziert. Dabei wurde die Fumigations-Extraktions-Methode zur Erfassung der mikrobiellen Biomasse eingesetzt. Ergosterol diente als Indikator für die pilzliche Biomasse und die Aminozucker Glucosamin und Muraminsäure sollten Aufschluss geben über die bakterielle und pilzliche Biomasse bzw. Residualmasse in den drei Probenfraktionen. Dazu wurden Umrechnungsfaktoren erstellt, die zur Berechnung des bakteriellen und pilzlichen Kohlenstoffs aus den Gehalten von Muraminsäure und Pilz-Glucosamin dienten. Die Bestimmung von Aminozuckern wurde insoweit modifiziert, dass sowohl in Boden- als auch in Wurzelhydrolysaten die Messung von Glucosamin, Galactosamin, Muraminsäure und Mannosamin gleichzeitig als automatisiertes Standardverfahren mit Hilfe der HPLC erfolgen konnte. Es wurden drei Gefäßversuche durchgeführt: Im ersten Versuch wurde der Einfluss der Pflanzenart auf die mikrobielle Besiedlung der Wurzeloberflächen untersucht. Dabei wurden Wurzeln und Rhizosphärenboden von 15 verschiedenen Pflanzenarten miteinander verglichen. Im zweiten Versuch stand der Einfluss der mikrobiellen Biomasse eines Bodens auf die mikrobielle Besiedlung von Wurzeloberflächen im Vordergrund. Deutsches Weidelgras (Lolium perenne L.) wurde auf sieben verschiedenen Böden angezogen. Bei den Böden handelte es sich um sechs Oberböden, die sich hinsichtlich des Bodentyps und der Bewirtschaftungsform voneinander unterschieden, und einen Unterboden. Im dritten Versuch wurde die mikrobielle Besiedlung von Wurzeln nach teilweiser und vollständiger Entfernung der oberirdischen Biomasse beobachtet. Welsches Weidelgras (Lolium multiflorum Lam.) wurde 24 Tage nach der Aussaat beschnitten. Anschließend wurde über einen Versuchszeitraum von acht Tagen die mikrobielle Besiedlung an den Wurzeln und in den Bodenfraktionen bestimmt. Es bestätigte sich, dass der Einfluss der einzelnen Pflanzenart von entscheidender Bedeutung für die mikrobielle Besiedlung von Wurzeln ist. Bei fast allen Pflanzen wurde die mikrobielle Biomasse an den Wurzeln von Pilzen dominiert. Das Verhältnis von pilzlichem zu bakteriellem Kohlenstoff an den Wurzeln der 15 Pflanzenarten lag im Mittel bei 2,6. Bei der Betrachtung verschiedener Böden zeigte sich, dass die mikrobielle Besiedlung in tieferen Bodenschichten signifikant niedriger ist als in den Oberböden. Dabei war der Pilzanteil an der mikrobiellen Biomasse im Unterboden deutlich erhöht. Der Vergleich der Oberböden untereinander ergab, dass sowohl der Bodentyp als auch die Bewirtschaftungsform einen signifikanten Einfluss auf mikrobielle Besiedlung ausüben. Durch die teilweise oder vollständige Entfernung der oberirdischen Biomasse wurde eine Veränderung der mikrobiellen Besiedlung an den Wurzeln beobachtet. Das Verhältnis von pilzlichem zu bakteriellem Kohlenstoff sank in dem Versuchszeitraum von 2,5 auf 1,4. Dabei war die Förderung der Pilze in der Variante mit teilweise entfernter oberirdischer Biomasse relativ größer als in der Variante mit vollständig entfernter oberirdischer Biomasse. Entgegen der weit verbreiteten Annahme, dass bei den wurzelbesiedelnden Mikroorganismen die Bakterien gegenüber den Pilzen dominieren, zeigten die Ergebnisse ein gegensätzliches Bild. In allen drei Versuchen ergab sich gleichermaßen, dass sowohl im Boden als auch an den Wurzeln die Pilze gegenüber den Bakterien dominieren.

Digital image analysis as a tool to estimate legume contributions in legume-grass swards

Summary: Productivity and forage quality of legume-grass swards are important factors for successful arable farming in both organic and conventional farming systems. For these objectives the botanical composition of the swards is of particular importance, especially, the content of legumes due to their ability to fix airborne nitrogen. As it can vary considerably within a field, a non-destructive detection method while doing other tasks would facilitate a more targeted sward management and could predict the nitrogen supply of the soil for the subsequent crop. This study was undertaken to explore the potential of digital image analysis (DIA) for a non destructive prediction of legume dry matter (DM) contribution of legume-grass mixtures. For this purpose an experiment was conducted in a greenhouse, comprising a sample size of 64 experimental swards such as pure swards of red clover (Trifolium pratense L.), white clover (Trifolium repens L.) and lucerne (Medicago sativa L.) as well as binary mixtures of each legume with perennial ryegrass (Lolium perenne L.). Growth stages ranged from tillering to heading and the proportion of legumes from 0 to 80 %. Based on digital sward images three steps were considered in order to estimate the legume contribution (% of DM): i) The development of a digital image analysis (DIA) procedure in order to estimate legume coverage (% of area). ii) The description of the relationship between legume coverage (% area) and legume contribution (% of DM) derived from digital analysis of legume coverage related to the green area in a digital image. iii) The estimation of the legume DM contribution with the findings of i) and ii). i) In order to evaluate the most suitable approach for the estimation of legume coverage by means of DIA different tools were tested. Morphological operators such as erode and dilate support the differentiation of objects of different shape by shrinking and dilating objects (Soille, 1999). When applied to digital images of legume-grass mixtures thin grass leaves were removed whereas rounder clover leaves were left. After this process legume leaves were identified by threshold segmentation. The segmentation of greyscale images turned out to be not applicable since the segmentation between legumes and bare soil failed. The advanced procedure comprising morphological operators and HSL colour information could determine bare soil areas in young and open swards very accurately. Also legume specific HSL thresholds allowed for precise estimations of legume coverage across a wide range from 11.8 - 72.4 %. Based on this legume specific DIA procedure estimated legume coverage showed good correlations with the measured values across the whole range of sward ages (R2 0.96, SE 4.7 %). A wide range of form parameters (i.e. size, breadth, rectangularity, and circularity of areas) was tested across all sward types, but none did improve prediction accuracy of legume coverage significantly. ii) Using measured reference data of legume coverage and contribution, in a first approach a common relationship based on all three legumes and sward ages of 35, 49 and 63 days was found with R2 0.90. This relationship was improved by a legume-specific approach of only 49- and 63-d old swards (R2 0.94, 0.96 and 0.97 for red clover, white clover, and lucerne, respectively) since differing structural attributes of the legume species influence the relationship between these two parameters. In a second approach biomass was included in the model in order to allow for different structures of swards of different ages. Hence, a model was developed, providing a close look on the relationship between legume coverage in binary legume-ryegrass communities and the legume contribution: At the same level of legume coverage, legume contribution decreased with increased total biomass. This phenomenon may be caused by more non-leguminous biomass covered by legume leaves at high levels of total biomass. Additionally, values of legume contribution and coverage were transformed to the logit-scale in order to avoid problems with heteroscedasticity and negative predictions. The resulting relationships between the measured legume contribution and the calculated legume contribution indicated a high model accuracy for all legume species (R2 0.93, 0.97, 0.98 with SE 4.81, 3.22, 3.07 % of DM for red clover, white clover, and lucerne swards, respectively). The validation of the model by using digital images collected over field grown swards with biomass ranges considering the scope of the model shows, that the model is able to predict legume contribution for most common legume-grass swards (Frame, 1992; Ledgard and Steele, 1992; Loges, 1998). iii) An advanced procedure for the determination of legume DM contribution by DIA is suggested, which comprises the inclusion of morphological operators and HSL colour information in the analysis of images and which applies an advanced function to predict legume DM contribution from legume coverage by considering total sward biomass. Low residuals between measured and calculated values of legume dry matter contribution were found for the separate legume species (R2 0.90, 0.94, 0.93 with SE 5.89, 4.31, 5.52 % of DM for red clover, white clover, and lucerne swards, respectively). The introduced DIA procedure provides a rapid and precise estimation of legume DM contribution for different legume species across a wide range of sward ages. Further research is needed in order to adapt the procedure to field scale, dealing with differing light effects and potentially higher swards. The integration of total biomass into the model for determining legume contribution does not necessarily reduce its applicability in practice as a combined estimation of total biomass and legume coverage by field spectroscopy (Biewer et al. 2009) and DIA, respectively, may allow for an accurate prediction of the legume contribution in legume-grass mixtures.

Bedeutung der C- und N-Rhizodeposition für das mikrobielle Wachstum und den mikrobiellen Umsatz von C und N in der Rhizosphäre in Abhängigkeit von der Entfernung zur Wurzel

Ziel dieser Arbeit war es, die Bedeutung des C und N mit Herkunft aus der Rhizodeposition für das mikrobielle Wachstum und den C- und N-Umsatz in der Rhizosphäre in Abhängigkeit von der Entfernung zur Wurzel zu untersuchen. Dazu wurde als wesentliche methodische Voraussetzung ein künstliches Rhizosphärensystem entwickelt, um die durch die Rhizodeposite induzierten Prozesse an der Grenzfläche zwischen Wurzeloberfläche und Boden zu untersuchen. Dieses eingesetzte Rhizosphärensystem wurde nach einem Vorbild eines in schon vielfältigen Untersuchungen der Rhizosphäre eingesetzten Systems von GAHOONIA und NIELSEN (1991) konzipiert. Zur Verfolgung der pflanzlichen C- und N-Rhizodeposition im Boden wurden 13C- und 15N-Tracer-Isotopen-Techniken zur Isotopenmarkierung der Testpflanzen eingesetzt. Zur Probenahme des Rhizosphärenbodens in räumlichen Abstand zur künstlichen Rhizoplane wurde eine Schneidvorrichtung nach FITZ et al. (2003) eingesetzt, die es ermöglicht frische Bodenproben in definiertem Abstand zur künstlichen Rhizoplane zu schneiden. Das Rhizosphärensystem wurde in 13C- und 15N-Doppelmarkierungsexperimenten mit Lolium perenne, Triticum aestivum und Avena sativa eingesetzt.Das unterschiedliche Ansprechen der mikrobiellen Gemeinschaft auf den Substrateintrag in unterschiedlicher Entfernung zur Wurzel zeigte komplexe Wechselwirkungen in Bezug auf das mikrobielle Wachstum, den mikrobiellen Umsatz, den Substrateintrag aus der Rhizodeposition und den stimulierten Abbau der nativen organischen Bodensubstanz. Der Eintrag von Rhizodepositen stellt daher eine bedeutende Funktion in der Regulation der mikrobiellen Biomasse und der Prozesse des Umsatzes der organischen Bodensubstanz während und wahrscheinlich bis nach der Vegetationsperiode dar. Die simultane Verfolgung von Rhizodepositions-C und -N im Boden und deren Funktionen innerhalb der Rhizosphäre, gerade im Hinblick auf die mikrobielle Biomasse und den Umsatz der organischen Substanz im Boden, führt zu einem besseren Verständnis der komplexen wechselseitigen Prozesse zwischen Pflanze und Boden.

Der Einfluss langjähriger Applikation von Biogasgüllen auf die Bodenfruchtbarkeit

Biogasgüllen haben bezüglich ihrer Wirkung auf die Bodenfruchtbarkeit, das Pflanzenwachstum und die Umwelt, Vor- und Nachteile. Als Folge der intensiven Nutzung von Biogas zur Energieerzeugung wurde die Biogasgülle eine der wichtigsten organischen Dünger, mit zunehmender Relevanz für den konventionellen aber auch den ökologischen Landbau. Aufgrund der frühen Entwicklung von Biogas und dem Einsatz von Biogasgüllen in der ökologischen Landwirtschaft in den achtziger Jahren im Nord-Osten Baden-Württembergs sind heute Ackerflächen vorhanden, die seit mehr als 25 Jahren mit Biogasgülle gedüngt werden. Somit bestand hier eine Möglichkeit, Informationen über die Langzeiteffekte von Biogasgüllen auf Parameter der Bodenfruchtbarkeit in der ökologischen, landwirtschaftlichen Praxis zu erlangen. Im ersten Projekt wurde daher eine On-Farm Boden- und Gülleprobenahme durchgeführt. Ziel war es, Parameter der Bodenfruchtbarkeit wie die mikrobielle Aktivität (Basalatmung), den mikrobiellen Biomasse C und N, pilzliches Ergosterol, mikrobielle Residuen (Aminozucker), organischen C, gesamt N und den pH-Wert im Boden auf fünf Flächenpaaren des biologisch-dynamischen Landbaus zu messen. Die sich daraus ergebende Hypothese war hierbei, dass der langjährige Einsatz von Biogasgülle im Vergleich zu Rohgüllen keinen Effekt auf die organische Bodensubstanz und die mikrobiellen Eigenschaften des Bodens hat, da die negativen Effekte wie zum Beispiel der reduzierte C-Input durch positive Effekte wie z.B. die erhöhte Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen kompensiert wird. Die Ergebnisse zeigten, dass die Langzeitanwendung von Biogasgülle keinen negativen Einfluss auf die C- und N-Vorräte im Boden hatte. Der Einsatz von Biogasgülle führte jedoch zu einem engeren Verhältnis von mikrobiellem C zu organischem C im Boden, was auf eine reduzierte C-Verfügbarkeit für Mikroorganismen im Vergleich zu Rohgüllen schließen lässt. Die Biogasgülleanwendung führte zu einer tendenziellen Abnahme der mikrobiellen Residuen, wobei die unterschiedlichen Tongehalte der untersuchten Flächen mögliche signifikante Gülleeffekte auf die mikrobiellen Eigenschaften verdeckt haben. Es gab keine generellen Effekte der Biogasgülle auf das Verhältnis von Pilzen zu Bakterien, wohingegen ein zunehmender Tongehalt eine signifikante Verlagerung in Richtung der Bakterien verursachte. Die Übereinstimmung der erhobenen Daten aller angewendeten Methoden weist auf die starke Aussagekraft dieser On-Farm Studie zum Vergleich benachbarter Flächen hin. Im Anschluss an das On-Farm Projekt, in dem die Langzeitwirkung von Biogasgülle auf den Boden untersucht wurde, sollten die Auswirkungen der Düngung mit unterschiedlichen Biogas-und Rohgüllen unter kontrollierten Bedingungen geprüft werden. Daher wurde ein 70-tägiger Gewächshausversuch mit den Güllen der biologisch-dynamischen Betriebe auf einem tonigen Schluff und unter Weidelgras (Lolium multiflorum, var. Ligrande) durchgeführt. Ziel war es, die Effekte unterschiedlicher Güllen auf das Pflanzenwachstum und die mikrobiellen Eigenschaften im Boden und an Wurzeln zu untersuchen. Die Düngung erhöhte die durchschnittliche oberirdische Pflanzenbiomasse um 69% unter Biogasgülle und um 36% unter Rohgülle im Vergleich zur ungedüngten Kontrolle. Zwischen der oberirdischen Biomasse und dem zugeführten NH4-N wurde ein stark linearer Zusammenhang festgestellt. Im Gegensatz zu den Biogasgüllen gab es unter den Rohgüllen einen signifikanten Anstieg des mikrobiellen Biomasse C und N um etwa 25% verglichen zur ungedüngten Kontrollvariante. Der Einsatz von Biogasgüllen führte gegenüber der Rohgülle und Kontrolle zu geringeren Ergosterolgehalten im Boden, was ein engeres Verhältnis von Ergosterol zu mikrobieller Biomasse C zur Folge hatte. Bezogen auf die Wurzeltrockenmasse verringerte die Düngung die Konzentrationen der Aminozucker Muraminsäure, Galaktosamin und Glukosamin um 24, 29 und 37%, gleichzeitig wurde jedoch kein Einfluss auf die Ergosterolgehalte festgestellt. Dies war höchstwahrscheinlich Folge der reduzierten Kolonisierung mit arbuskulärer Mykorrhiza in Gegenwart ausreichend verfügbarer Pflanzennährstoffen. Um einen Eindruck über die mikrobielle Biomasse und die mikrobielle Gemeinschaft in Biogas- und Rohgüllen zu bekommen, wurde ein drittes Projekt durchgeführt. Die von den 6 biologisch-dynamischen Betrieben erhaltenen Güllen wurden auf ihre Ergosterol- und Aminozuckerkonzentrationen untersucht. Hierbei entstand eine zuverlässige und präzise Methode zur Bestimmung von Ergosterol in Biogas- und Roghüllen. Die Biogasgüllen enthielten signifikant geringere Konzentrationen an Ergosterol (-34%), MurN (-42%), GalN (-32%) und pilzlichem GlcN (-40%) im Vergleich zu den Rohgüllen. Die durchschnittlichen Verhältnisse von pilzlichem GlcN zu Ergosterol (50) und pilzlichem C zu bakteriellem C (0.29) zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gülletypen. Die durchschnittliche Konzentration von mikrobiellem C war in Biogasgülle signifikant geringer als in Rohgülle. Demzufolge lag der Anteil des mikrobiellen C am organischen C bei 3.6% in den Biogasgüllen und 5.7% in den Rohgüllen. Zwischen dem mikrobiellen C der Güllen und deren Faser- und Aschegehalte, sowie den pH-Werten und den CN Verhältnissen konnten nicht-lineare Zusammenhänge festgestellt werden.