Methoden der Bodenbiologie - BFW
Methoden der Bodenbiologie - BFW
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<strong>Methoden</strong> <strong>der</strong> <strong>Bodenbiologie</strong><br />
Sophie Zechmeister-Boltenstern<br />
Institut für Wald und Boden<br />
<strong>Bodenbiologie</strong><br />
Bundesamt und Forschungszentrum für Wald – <strong>BFW</strong><br />
Österreichische Gesellschaft für <strong>Bodenbiologie</strong> -ÖGBB
Freilandmethoden<br />
• Ionenaustauscher zur Bestimmung <strong>der</strong> N-Verfügbarkeit<br />
• Stickstoffnettomineralisation<br />
• Gasmessung (N 2 O, CO 2 , CH 4 )<br />
• Klima<br />
• Stickstoffeinträge<br />
• Bodenfeuchte<br />
• Auswaschung<br />
• Wurzeluntersuchungen<br />
• Mesokosmen<br />
• Streuabbau
Stickstoffverfügbarkeit<br />
CH4
Gasmessung Freiland<br />
Schottenwald, Wien
Gasmessung - manuell
[µg N 2 O-N m -2 h -1 ]<br />
[mg NO 3 -N m -2 d -1 ]<br />
N 2O-Emissionen und Nitratbildung<br />
250<br />
225<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
400<br />
200<br />
100<br />
0<br />
04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12<br />
N 2 O<br />
CO 2<br />
1996 1997<br />
NO 3 on IER<br />
biomass N<br />
03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12<br />
1996 1997<br />
0,8 kg N ha -1 14 d -1<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
125<br />
100<br />
75<br />
50<br />
25<br />
0<br />
[mg CO 2 m -2 h -1 ]<br />
[µg N mic g -1 soil]
Gasmessung - automatisch<br />
Deckel zu Deckel auf
Gasmessung - automatisch
Höglwald
Wien
Gasmessung –<br />
reaktive Stickoxide
Gasmessung – reaktive Stickoxide
Gasmessung – Ventilschaltsystem
Gasmessung - Messeinheit
Gasmessung – mit Messtürmen<br />
Speul<strong>der</strong>bos
Freilandmethoden<br />
• Ionenaustauscher zur Bestimmung <strong>der</strong> N-Verfügbarkeit<br />
• Stickstoffnettomineralisation<br />
• Gasmessung (N 2 O, CO 2 , CH 4 )<br />
• Klima<br />
• Stickstoffeinträge<br />
• Bodenfeuchte<br />
• Auswaschung<br />
• Wurzeluntersuchungen<br />
• Mesokosmen<br />
• Streuabbau
Klima und Stoffeinträge<br />
Freilandnie<strong>der</strong>schlag<br />
Klausenleopoldsdorf Achenkich wind speed and wind direction,<br />
radiation, air humidity, temperature, air pressure, snow<br />
depth
Schneelysimeter
Saugkerzenlysimeter:<br />
Bodenlösung,<br />
Nitratauswaschung
Regenmessung - Stoffeinträge<br />
Kronendurchlass<br />
Streusammler
Stammablaufsammler
N-budget for Achenkirch
Labormethoden
Labormethoden<br />
<strong>Methoden</strong> zur Messung des Stoffumsatzes<br />
• Gasmessung<br />
• Bruttomineralisation, Nettomineralisation, 15N-Isotope • Bestimmung <strong>der</strong> mikrobiellen Biomasse (CFE, SIR)
Gasmessung
15 NH4 or 15 NO 3<br />
300 µg N sample -1<br />
197 mg N m -2<br />
Intact soil cores<br />
Bruttomineralisation mit<br />
15 N-Isotopen<br />
Time<br />
48 hrs<br />
Sample for<br />
analysis of<br />
N 2 O conc.<br />
and 15 N<br />
enrichment<br />
Soil<br />
chemical<br />
analysis<br />
N i + 15 N
Gasanalyse mit 15 N-Isotopen
Mikrobielle Biomasse:<br />
Bakterien<br />
Pilze
Mikrobielle Biomasse:<br />
Chloroformfumigation<br />
Abbildung 1<br />
Bodenproben<br />
Filterpapier<br />
Becherglas mitNatronkalk<br />
Becherglas mit Chloroform
Labormethoden<br />
<strong>Methoden</strong> zur Messung des Stoffumsatzes<br />
• Gasmessung<br />
• Bruttomineralisation, Nettomineralisation, 15N-Isotope • Bestimmung <strong>der</strong> mikrobiellen Biomasse (CFE, SIR)<br />
• Allgemeine Aktivitätsparameter (DMSO-Reduktion, ATP)<br />
• Bestimmung von Bodenenzymen:<br />
N-Kreislauf: Urease, Protease<br />
C-Kreislauf: Cellulase, Saccharase, Xylanase<br />
P-Kreislauf: Phosphatase (saure, alkalische)<br />
S-Kreislauf: Arylsulfatase<br />
Praktika Chemische Physiologie
Labormethoden<br />
Mikrobielle Gemeinschaftsstrukturen, Biodiversität<br />
• Herkömmliche Plattenkulturen (MPN)<br />
selektive Nährmedien<br />
• Mikrotitterplattenkulturen (BIOLOG)<br />
• Chemostat<br />
• Pilzanteil (Ergosterol, Trehalose)<br />
• PLFA Phospholipidfettsäuremuster<br />
• Genetische <strong>Methoden</strong>
Cell membrane<br />
Phospholipidfettsäuren<br />
Microbial community:<br />
• protozoa<br />
• fungi<br />
• bacteria:<br />
– aerobic eubacteria<br />
– gram positive anaerobes<br />
– gram negative baceria, sufate<br />
reducers<br />
– actinomycetes
3.0<br />
1.5<br />
0.0<br />
Microbial Biodiversity using<br />
Phospholipid fatty acids<br />
(PLFAs) as markers<br />
pine<br />
floodplain<br />
beech<br />
oak<br />
acid. beech<br />
spruce-fir-beech<br />
-1.5<br />
-2 -1 0 1 2<br />
A 18:2ω6<br />
10Me18:0<br />
B<br />
18:1ω9<br />
a17:0<br />
16:1ω5 14:018:1ω5<br />
17:0cy<br />
a15:0<br />
i17:0<br />
18:1ω716:1ω7<br />
16:0<br />
17:0 15:0<br />
20:0<br />
18:0 19:0cy<br />
19:1ω8<br />
i16:010Me17:0<br />
10Me16:0<br />
PC 1 26 % PC 1 26 %<br />
PC 2 18 %<br />
Phospholipid<br />
fatty acids<br />
(PLFAs)<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
-0.5<br />
i15:0<br />
-1.0<br />
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0<br />
(Hackl et al., 2005)
FIN –Hyytiälä/ Pine<br />
EU-Projekt NOFRETETE
Genetische <strong>Methoden</strong><br />
Mikrobielle Gemeinschaftsstrukturen<br />
• DGGE, TGGE<br />
• 16 S rDNA-Analyse für Bakterien, 18 rDNA für Pilze<br />
• T-RLFP (terminal restriction length fragment<br />
polymorphism)
PCR-<br />
Polymerase<br />
Chain Reaction
DGGE<br />
nach Sessitsch, 2001
DGGE
16S rRNA nach Sessitsch, 2001
T-RLFP<br />
nach Sessitsch, 2001
Erkennung von Bakterien<br />
• DNA chips (Microarrays)<br />
In situ Aktivitätsmuster<br />
• FISH (Fluorescence<br />
in situ hybridisation)<br />
• Autoradiographie<br />
Näheres bei Prof. Michael Wagner<br />
Genetische <strong>Methoden</strong>
DNA-chip
Genomic<br />
DNA<br />
Generation of a metagenomic library<br />
Genomic DNA<br />
extraction<br />
Restriction digested<br />
vector<br />
Ligation<br />
Vector DNA E. coli<br />
Transformation<br />
Function-driven analysis<br />
Transcription<br />
mRNA<br />
Translation<br />
Protein<br />
Secretion<br />
Metagenomic<br />
library<br />
Sequence-driven<br />
analysis<br />
aggtcgtatcgatgc<br />
acttgca<br />
Handelsman 2004<br />
Isolieren von mikrobieller DNA aus<br />
einer Umweltprobe<br />
– HMW-DNA<br />
– Reinheit, Inhibitoren<br />
– Quantität<br />
Klonieren <strong>der</strong> DNA in einen<br />
geeigneten Vektor (BAC, Fosmid,<br />
small insert libraries)<br />
Transformieren des Vektors in einen<br />
Wirtsorganismus<br />
Screening <strong>der</strong> Transformanden<br />
– Expression im Wirtsorganismus<br />
– Sequenzanalyse, phylogenetic<br />
anchor (16S rRNA)
z.B. das prozessorientierte<br />
biogeochemische Modell PnET-N-DNDC<br />
bestehend aus den fünf Einzelmodulen Bodenklima,<br />
Waldwachstum, Mineralisierung, Nitrifikation und<br />
Denitrifikation<br />
( - →) Informationsfluß,<br />
( →) Stoff-bzw. Energiefluß.<br />
Modellierung<br />
Der Datenaustausch zwischen den Modulen wird durch<br />
die breiten Pfeile verdeutlicht
ecological<br />
driver<br />
mean<br />
annual<br />
temperat.<br />
LAI<br />
depending<br />
albedo<br />
soil<br />
T-profile<br />
soil climate<br />
NO 2 -<br />
daily<br />
evapotranspiration<br />
evaporation<br />
soil<br />
moisture<br />
profile<br />
predicted soil<br />
environmental forces<br />
denitrification nitrification<br />
NO<br />
N 2 O<br />
N 2<br />
nitrate<br />
denitrifier<br />
nitrite<br />
denitrifier<br />
N 2 O -<br />
denitrifier<br />
climate<br />
transpiration<br />
O 2 -<br />
diffusion<br />
water<br />
movement<br />
in the soil<br />
O 2 -profile<br />
anaerobic<br />
balloon<br />
NO 3 -<br />
DOC<br />
exchange of<br />
NO, N 2 O, NO 3 -<br />
PnET-N-DNDC model<br />
soil vegetation<br />
water<br />
demand<br />
water<br />
uptake by<br />
roots<br />
water<br />
stress<br />
root<br />
respiration<br />
N 2 O<br />
DOC<br />
nitrifier<br />
NO 3 -<br />
photosynthesis<br />
leaf Ncontent<br />
tree growth<br />
NH 4 +<br />
N-uptake<br />
by roots<br />
Ndemand<br />
predicted gas fluxes emission of NO, N2O, N2 , NH3 and CH predicted gas fluxes<br />
4<br />
NH 3<br />
plant<br />
respiration<br />
biomass<br />
leaves<br />
wood<br />
root<br />
Effect of temperature and moisture on mineralisation<br />
human impact<br />
mineralisation<br />
NH 4 +<br />
DOC<br />
ecological<br />
driver<br />
very labile labile resistant<br />
degradable organic matter<br />
very labile resistant<br />
degradable microbial matter<br />
labile resistant<br />
degradable humines<br />
non-degradable organic matter<br />
substrate (C, N) temperature moisture pH<br />
NO NH 3<br />
clay<br />
minerals<br />
CO 2<br />
CO 2<br />
DOC CO 2<br />
methanogenic<br />
bacteria<br />
CH 4<br />
methanogenesis<br />
CH 4 -oxidation<br />
methanotrophic<br />
bacteria<br />
- diffusion<br />
- gasbubbles<br />
- plant tranpsort<br />
CO 2
Inventur <strong>der</strong> N 2O-Emissionen<br />
aus Walböden<br />
berechnet mit dem<br />
biogeochemischen Modell<br />
PnET-N-DNDC<br />
für 1995 (bis 14 kg N ha -1 a -1 ).
Viele hart arbeitende Studenten
Why do we dig the soil ?<br />
Ende
![pdf [7 MB] - BFW](https://img.yumpu.com/22350074/1/184x260/pdf-7-mb-bfw.jpg?quality=85)
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