Neue Werkzeuge zur Untersuchung von an Bodenprozessen beteiligten Mikroben
Terrestrische Kohlenstoff- und Stickstoffzyklen sind für die Biosphäre der Erde essentiell und eng mit der mikrobiellen Aktivität verbunden. Das von der EU finanzierte Projekt DW_FDTP_UVA (Understanding functional drivers in two terrestrial key processes- nitrogen fixation and cellulose degradation- by a single cell approach) hat zwei mikrobielle Schlüsselprozesse aufgezeigt - den pflanzlichen Polymerabbau und die Stickstofffixierung. Zur Identifizierung der aktiven Teilnehmer der beiden Prozesse kombinierten Wissenschaftler Methoden der Biogeochemie, Molekularbiologie und Einzelzelltechnologien wie Raman-Mikrospektroskopie und hochauflösende Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS) zur Messung der Aktivität einzelner Zellen. Jedoch fanden diese Einzelzelltechniken eine begrenzte Anwendung in Böden, vermutlich aufgrund der Ausbreitung von mikrobiellen Zellen in einem großen Hintergrund von Teilchen. Daher haben die Wissenschaftler an der Entwicklung von Methoden gearbeitet, die auf Bodenmikroorganismen anwendbar sind, indem sie die Zellen von Bodenpartikeln trennen und sie für eine effiziente Analyse konzentrieren. Wissenschaftler untersuchten die Stickstoffbindung in Wald- und Graslandböden sowie in der Boden-Pflanze-Zwischenphase. Die Arbeit war auf diese pflanzenassoziierten Diazotrophen fokussiert, da deren Diversität und Beitrag zum Prozess der Stickstoffbindung größtenteils unbekannt ist. Um die Mikroorganismen mit der genetischen Möglichkeit zur Stickstoffbindung zu identifizieren, griffen die Forscher auf Sequenzierungsverfahren der neuesten Generation zurück und wurde eine Bioinformatik-Analyse der funktionellen Gene in Bezug auf die Stickstoffbindung wie beispielsweise das Dinitrogenase-Reductase-Gen verwendet. Die Verwendung seltener Stickstoff-15 stabiler Isotope in Bakterien bot ein Mittel zur Untersuchung deren Stickstoffbindungsfähigkeit. Forscher untersuchten auch den Zelluloseabbau und identifizierten Mikroorganismen, die zu dem Prozess beitragen. Zu diesem Zweck wurde Zellulose, die mit dem C-13-Isotop markiert war, unter unterschiedlichen Nährstoffbedingungen verwendet, indem der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt im Boden verändert wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass Stickstoff-veränderte Mikrokosmen mit einer Veränderung in der zelluloseabbauenden Gemeinschaft, die Pilze und Bakterien beinhaltete, die höchsten Zelluloseabbau-Wirkungsraten zeigten. Diese Daten untermauern die Bedeutung der Stickstoffverfügbarkeit in Bezug auf die Aktivität spezifischer Organismen an diesen wichtigen biogeochemischen Prozessen. Die zukünftige Arbeit des Konsortiums wird auf die synergetische Wechselwirkung und Konkurrenz zwischen unterschiedlichen Mikroorganismen im Boden fokussiert sein. Der Verbund der im Laufe des Projekts DW_FDTP_UVA entwickelten Verfahren und Instrumente wird in dieser Hinsicht hilfreich sein.
Schlüsselbegriffe
Stickstoff-Zyklus, Kohlenstoff-Zyklus, Stickstoff-Fixierung, Zellulose-Abbau, DW_FDTP_UVA
