Die angewendeten Methoden erwiesen sich als geeignet, um die mikrobiellen Gemeinschaften und deren physiologische Eigenschaften in den Böden der Anbausysteme des DOK-Versuches zu untersuchen. Sämtliche Parameter konnten Veränderungen der physiologischen Eigenschaften und taxonomischen Zusammensetzung beschreiben, die hauptsächlich auf die unterschiedlichen

Anbausysteme und Kulturen zurückzuführen sind. Es stellte sich zudem heraus, dass die Veränderungen besonders durch die Art der Düngung (organisch vs. mineralisch) hervorgerufen wurden. Die Untersuchung hat gezeigt, dass eine verknüpfende Betrachtung der Ergebnisse der hier angeführten Analysemethoden sinnvoll ist, um zukünftig verbesserte Aussagen über Bodenqualität und -fruchtbarkeit in Agrarökosystemen treffen zu können

Rasche, Frank

Widmer, Franco

Mäder, Paul

Gattinger, Andreas

Fließbach, Andreas

German

Problemstellung/Ziele: Die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften und deren Funktionen im Boden kann mit Hilfe moderner Techniken beschrieben werden. Diese beruhen u.a. auf der Untersuchung der genetischen Eigenschaften mittels DNA-Analysen, molekularen Markern der Zellmembran oder physiologischer Eigenschaften der Organismen. Die Frage, ob die daraus ableitbare strukturelle und funktionelle Vielfalt von mikrobiellen Gemeinschaften ein Kriterium für Bodenqualität sein kann, ist Gegenstand wissenschaftlicher Diskussion. Der Nachweis eines Zusammenhangs von mikrobieller Diversität und wichtigen ökologischen Funktionen des Bodens, die auf mikrobiellen Prozessen basieren, steht noch aus. Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war, drei Ansätze zur Beschreibung der mikrobiellen Diversität im Boden zu vergleichen und Beziehungen zu Parametern der Bodenqualität herzuleiten um diese zur Beurteilung von Veränderungen durch landwirtschaftliche Bewirtschaftung verwenden zu können.



Hypothesen: (I) Die langfristige biologische Bewirtschaftung von Böden verändert die strukturelle und funktionelle Vielfalt ihrer mikrobiellen Gemeinschaft im Vergleich zu konventionellen. (II) Die Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft steht in engem Zusammenhang mit der Bodenqualität

Fliessbach, Andreas

Organic Eprints

Mikrobielle Diversität: Methodenvergleich Frank Rasche1,2, Franco Widmer2, Paul Mäder1, Andreas Gattinger3, Andreas Fließbach11Forschungsinstitut für biologischen Landbau, CH-5070 Frick, 2Forschungsanstalt für Agrarökologie und Landbau, CH-8046 Zürich, 3Institut für Bodenökologie, GSF, D-85764 NeuherbergHintergrund der UntersuchungIm DOK-Versuch werden seit 1978 biologische und konventionelleAnbauverfahren verglichen. Im März 2000 wurden Böden unterWinterweizen und im zweiten Jahr Kleegras in fünf Verfahrenbeprobt. Mikrobielle Biomasse (Cmic) und ihr metabolischer Quotient(qCO2=Basalatmung/Cmic) zeigten deutliche Verfahrenseffekte,lediglich im organisch-biologischen Verfahren einen Kultureffekt(Abb. 1). Cmic war mit der Aggregatstabilität der Böden positiv kor-reliert (r2=0.81), was auf einen dauerhaften Beitrag zurKrümelbildung hindeutet. Diese Unterschiede waren Anlass füreine detaillierte bodenmikrobiologische Untersuchung der Bödenmit dem Ziel, die kurzfristigen Effekte der Kulturen und die langfri-stigen der Verfahren zu unterscheiden. Abbildung 1: Mikrobielle Biomasse (Cmic), metabolischer Quotient (qCO2)werden durch die langfristigen Auswirkungen der Verfahren und wenigerdurch die kurzfristigen der angebauten Kultur bestimmt.Funktion und Struktur der BodenmikrofloraDie aus den Mikroorganismen des Bodens direkt extrahierbareDNA und auch die extrahierbaren PLFA waren eng mit Cmic korre-liert. Die Hauptkomponentenanalyse der Substratnutzungsmusterlegt einen Effekt der Kultur auf die heterotrophen Bakterien nah,während die Verfahren weniger differenzierten. Hier scheinen diekurzfristigen Einflüsse zu überwiegen Die genetischen Fingerab-drücke hingegen waren eher durch die Verfahren bestimmt, weni-ger durch die Kultur, was den Langzeiteffekt der Systeme wider-spiegelt. Ein deutlicher Kultureffekt konnte hier beim organischbiologischen Verfahren ermittelt werden (Abb. 2)Abbildung 2: Die Hauptkomponentenanlyse der Substratnutzungsmuster(links) zeigt kurzfristige Kultureffekte an, während die der genetischen T-RFLP Fingerabdrücke (rechts) Verfahrenseffekte anzeigt.PLFA, die nur in Proben unter Winterweizen untersucht wurden,differenzierten die Verfahren deutlich (Daten nicht gezeigt). Aus dem Verhältnis der Biomarkerlipide für methanotrophe undmethanogene Organismen leitet sich ein Methan-Oxidations-Potential ab in der Reihenfolge D ≥ O ≥ K. Dieses Phänomenmuss jedoch anhand von Spurengasmessungen überprüft werden(Abb. 3).Abbildung 3: Verhältnisvon methanotrophenzu methanogenenLipidbiomarker zur Ab-schätzung des Methan-oxidationspotentials inden 4 untersuchten Bewirtschaftungssyste-men unter Winter-weizen.FazitDie angewendeten Methoden erwiesen sich als geeignet, um dieBodenmikroflora in den Böden der Anbauverfahren und Kulturendes DOK-Versuches auf Kurz- und Langzeit-effekte hin zu untersu-chen. Eine verknüpfende Betrachtung der Ergebnisse derAnalysemethoden ist sinnvoll, um verbesserte Aussagen überBodenqualität und -fruchtbarkeit in Agrarökosystemen treffen zukönnen.Die Diversität der Mikroflora – ein Bestandteil biologischer Bodenqualität –wurde in den Böden des DOK-Versuches untersucht. Drei moderne Technikenergänzen sich in ihren Aussagen und zeigen ihre Grenzen.0100200300400500DOKM NCmic (mg g-1 Boden)00.511.522.5DOKMNqCO 2 (µg CO 2-C mg-1 Cmic h-1)dunkle Farbe: Kleegrashelle Farbe: Winterweizen  Der Substratnutzungstest (Biolog®) zeigt katabolische Eigen-schaften der gesamten heterotrophen und aktivenGemeinschaft der Bodenmikroorganismen an.  Genetische Fingerabdrücke (T-RFLP) erlauben eine detail-lierte Untersuchung der vorhandenen Organismen (hier nurBacteria) bis zur einzelnen Spezies.   Phospholipid-Biomarker (PLFA) sind Bestandteile derMembran lebender Zellen und spezifisch für bestimmteGruppen von Organismen.-2-1012-2 -1 0 1 2Hauptkomponente 1 (37.3%)N NM MD DO OK KKG     WW -2-1012-2 -1 0 1 2Hauptkomponente 1 (37.4%) Hauptkomponente 2 (30.6%)Hauptkomponente 2 (26.5%)010203040506070MD O KBiomarkerverhältnisTab. 1: Die Verfahren im DOK-VersuchN ungedüngt seit 1978 mit Anwendung biodynamischer FeldpräparateM seit 1985 konventionell-viehlos, integriert, mineralische DüngungD biodynamisch 1.4 DGVEO organisch biologisch 1.4 DGVEKk onventionell, seit 1985 integriert, 1.4 DGVE + NPK

Vergleich von Methoden zur Ermittlung der mikrobiellen Diversität in Böden des DOK-Versuches

Bodenfruchtbarkeit4471Vergleich von Methoden zur Ermittlung der mikrobiellenDiversität in Böden des DOK-VersuchesFrank Rasche, Franco Widmer, Paul Mäder, Andreas Gattinger, Andreas FließbachProblemstellung/Ziele:Die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften undderen Funktionen im Boden kann mit Hilfe moderner Techniken beschrieben werden.Diese beruhen u.a. auf der Untersuchung der genetischen Eigenschaften mittels DNA-Analysen, molekularen Markern der Zellmembran oder physiologischer Eigenschaftender Organismen. Die Frage, ob die daraus ableitbare strukturelle und funktionelleVielfalt von mikrobiellen Gemeinschaften ein Kriterium für Bodenqualität sein kann, istGegenstand wissenschaftlicher Diskussion. Der Nachweis eines Zusammenhangsvon mikrobieller Diversität und wichtigen ökologischen Funktionen des Bodens, dieauf mikrobiellen Prozessen basieren, steht noch aus. Das Ziel der vorliegenden Un-tersuchung war, drei Ansätze zur Beschreibung der mikrobiellen Diversität im Bodenzu vergleichen und Beziehungen zu Parametern der Bodenqualität herzuleiten umdiese zur Beurteilung von Veränderungen durch landwirtschaftliche Bewirtschaftungverwenden zu können.Hypothesen:(I) Die langfristige biologische Bewirtschaftung von Böden verändert diestrukturelle und funktionelle Vielfalt ihrer mikrobiellen Gemeinschaft im Vergleich zukonventionellen. (II) Die Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft steht in engemZusammenhang mit der Bodenqualität.Methoden:Der DOK-Langzeitfeldversuch in Therwil (CH) vergleicht seit 1978 dieAnbausysteme biodynamisch (D), bioorganisch (O) und konventionell (K) in dreiidentischen, aber zeitlich versetzten Fruchtfolgen. Böden aus den Anbausystemendes DOK-Versuches wurden im März 2000 unter Winterweizen und dem zweiten Jahreiner Kleegraskultur beprobt. Die Böden wurden auf mikrobielle Biomasse (CFE) undBasalatmung sowie auf Substratnutzungsmuster (CLSU), genetische fingerprintsmittels terminalen Restriktionsfragmentlängenpolymorphismen (T-RFLP) untersucht.Phospholipid Fettsäure- und Etherlipidmuster (PLFA, PLEL) wurden in den Bödenunter Winterweizen untersucht.Ergebnisse/Diskussion:In erster Linie war die langfristige Wirkung derAnbausysteme auf die mikrobielle Biomasse und die Basalatmung des Bodens zuverzeichnen. Die durch die angebaute Feldfrucht bedingten kurzfristigen Effekte,hatten auf diese Parameter einen geringeren Einfluss. Gesamt-DNA und -PLFA wareneng mit der mikrobiellen Biomasse korreliert. Die Vielfalt der Substrate, welche vonmikrobiellen Gemeinschaften genutzt werden kann, wurde hingegen in erster Liniedurch die Feldfrucht und nachfolgend erst durch die Anbausysteme beeinflusst. Dieaktive und kultivierbare Teilpopulation der Bakterien, die mit dieser Methode erfasstwerden kann ist offensichtlich stark von der angebauten Feldfrucht abhängig. Derüberwiegende Teil der Bodenbakterien ist aber nicht kultivierbar. Mit genetischenAnalysen kann prinzipiell die gesamte bakterielle Bodengemeinschaft untersuchtwerden, ohne dass die Bakterien kultiviert werden müssen. Mit dieser Technikkonnten in erster Linie die Anbausysteme unterschieden werden, während dieangebaute Kultur einen geringeren Einfluss hatte. Auch die PLFA-Muster deuteten aufunterschiedliche Mikroorganismengemeinschaften in den untersuchten Anbau-Bodenfruchtbarkeit448Frank Rasche, Franco Widmer, Paul Mäder, Andreas Gattinger, Andreas Fließbach2systemen hin. Ausserdem konnte anhand spezifischer Phospholipide in den Bödendes biodynamischen Verfahrens ein hohes Methanoxidationspotential festgestelltwerden, was Untersuchungen der Spurengasflüsse in diesen Böden nahe legt. AllenMethoden gemeinsam war, dass die Verfahren mit organischer Düngung sich deutlichvon denen ohne Düngung oder mit mineralischer Düngung unterschieden, währenddie Unterschiede zwischen den organisch gedüngten Verfahren geringer ausfielen.Die Nutzung der meisten Substrate waren eng mit der Basalatmung und dermikrobiellen Biomasse korreliert, während die genetischen Marker häufig vonbodenphysikalischen und –chemischen Grössen bestimmt wurden.-2-1012-2 -1 0 1 2Hauptkomponente 1 (37.3%)N NM MD DO OK KKG WW-2-1012-2 -1 0 1 2Hauptkomponente 1 (37.4%)N NM MD DO OK KKG WWSubstratnutzungsmuster Genetische fingerprintsAbbildung 1. Hauptkomponentenanalyse der Substratnutzungsmuster und der genetischenfingerprints aus T-RFLP N: ungedüngt; M: konventionell mineralisch gedüngt; D: biodynamisch; O:bioorganiisch; K: konventionell; KG: Kleegras; WW: Winterweizen.Fazit: Die angewendeten Methoden erwiesen sich als geeignet, um die mikrobiellenGemeinschaften und deren physiologische Eigenschaften in den Böden derAnbausysteme des DOK-Versuches zu untersuchen. Sämtliche Parameter konntenVeränderungen der physiologischen Eigenschaften und taxonomischenZusammensetzung beschreiben, die hauptsächlich auf die unterschiedlichenAnbausysteme und Kulturen zurückzuführen sind. Es stellte sich zudem heraus, dassdie Veränderungen besonders durch die Art der Düngung (organisch vs. mineralisch)hervorgerufen wurden. Die Untersuchung hat gezeigt, dass eine verknüpfendeBetrachtung der Ergebnisse der hier angeführten Analysemethoden sinnvoll ist, umzukünftig verbesserte Aussagen über Bodenqualität und -fruchtbarkeit inAgrarökosystemen treffen zu können.Literaturangaben:Widmer, F., Fließbach, A., Laczkó, E., Schulze-Aurich, J. u. J. Zeyer (2001): Assessing soil biolo-gical characteristics: a comparison of bulk soil community DNA-, PLFA-, and Biolog™-Analyses.Soil Biol. Biochem. 33, 1029-1036.Fließbach, A. u. P. Mäder (1997): Carbon source utilization by microbial communities in soils underorganic and conventional farming practice. In Microbial Communities – Functional versus Structu-ral Approaches, Hrsg. H. Insam u. A. Rangger. S 109-120. Springer, Berlin.

Vergleich von Methoden zur Ermittlung der mikrobiellen Diversität in Böden des DOK-Versuches.

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