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Institut für Bodenökologie Institute of Soil Ecology Neuherberg (Direktor / Director: Prof. Dr. Dr. Jean Charles Munch)

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m Zentrum der Forschungstätigkeiten steht das Verständnis der grundsätzlichen biotischen Funktionen von Böden. Die Steuerung der Prozesse soll nachhaltige Nutzung ermöglichen. Die Aktivitäten lassen sich unter folgenden Themenbereichen zusammenfassen: • Die Wirkung von Fremdstoffen und unterschiedlichen Landnutzungen auf Zusammensetzung, Dynamik und Stoffumsatz von Mikroorganismengemeinschaften in Böden wird mit physiologischen und Biomarker-Techniken untersucht. Der Boden mit seinen mikrobiellen Gemeinschaften wird als eine organische Einheit betrachtet, die mit ihrer Umwelt Energie und Stoffe austauscht. • Die Umsetzung von organischen Verbindungen und die Nachlieferung von Nährstoffen durch Mikroorganismen sind essentiell für das Funktionieren von Ökosystemen. Die Steuerung der Induktion der Genexpression ist ein komplexes regulatorisches Netzwerk, das vom jeweiligen Genpool abhängt und durch abiotische Faktoren und biotische Wechselwirkungen gesteuert wird. Ziel der Arbeiten ist es, mit Hilfe der Genomik, Transkriptomik und Proteomik die Beeinflussbarkeit der Expression von Schlüsselenzymen in Abhängigkeit des jeweiligen Genpools im Boden und die Bedeutung funktioneller Redundanz für die Stabilität von Ökosystemen zu verstehen. • Mikrobielle Transformationen von Fremdstoffen in Böden werden qualitativ und quantitativ in Labormikrokosmen, in Freilandlysimetern und an Feldexperimenten untersucht. Ziel ist die nachhaltige Förderung des Abbaus auf Basis des

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esearch in the Institute is concerned primarily with understanding of the fundamental biotic functions of soils. Regulation of these processes should enable sustainable use. The activities can be summarised under the following thematic headings. • The influence of pollutants and different kinds of land use on the composition, dynamics, and metabolism of soils are studied using physiological and biomarker techniques. The soil is considered together with its microbial communities as an organic entity that exchanges energy and substances with its environment. • The transformation of organic compounds and the delivery of nutrients by microorganisms are essential for ecosystem function. The regulation of induction of gene expression is a complex regulatory network that depends on the particular gene pool and is regulated by abiotic factors and biotic interactions. The aim of this research is to understand the regulation of expression of key enzymes in the soil in dependence on the particular gene pool, and the importance of functional redundancy for the stability of ecosystems. • The microbial transformation of pollutants in soils is studied qualitatively and quantitatively using laboratory microcosms, open air lysimeter systems, and field experiments. The aim is to increase degradation, based on the knowledge on microbial communities in soils. • Mathematical analysis and simulation of processes in terrestrial ecosystems – the interaction between animals, micro-

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Wissens über die microbiellen Gemeinschaften in vielen Böden. • Mathematische Analyse und Simulation von Prozessen in terrestrischen Ökosystemen. Mit Hilfe deterministischer Modelle werden Interaktionen zwischen Tieren, Mikroorganismen und ihrer abiotischen Umwelt beschrieben. Veränderungen im Raum und in der Zeit werden dargestellt im Sinne von Prognosen. • Das Wurzel-Boden-Kompartiment (Rhizosphäre) hat wesentliche Bedeutung für die Pflanzenernährung und -gesundheit sowie für Stofftransformationen von organischen Substanzen im Boden. In der Abteilung „Rhizosphärenbiologie“ wird mit Hilfe von molekulargenetischen und In-situ-Ansätzen der Mikrobenökologie und Enzymologie die mikrobielle Besiedlung, der Signalaustausch und spezifische Leistungen in der Rhizosphäre von Nutzpflanzen bearbeitet. • In Expositionskammern, Sonnensimulatoren und auf der Lysimeteranlage stehen komplexe naturnahe Umweltszenarien reproduzierbar zur Verfügung. Hier wird der Einfluss von Klimaparametern (z.B. Sonnenstrahlung, Niederschläge, Kohlendioxid) im Zusammenhang mit dem Nährstoffgleichgewicht von Böden, von veränderter Luftchemie (z.B. höherer Ozonkonzentrationen) und von UV-B-Strahlung auf Wachstum, Stoffwechsel, Gesundheit und Konkurrenzfähigkeit von Pflanzen sowie auf Funktion und Stabilität des Bodens experimentell untersucht. Am Institut wird von mikroskaliger Ebene im Labor bis zur Makroskala einer Landschaft (Versuchsgut Scheyern) gearbeitet. Die Expositionskammern und Lysimeter bilden ein Bindeglied zwischen beiden. Die biotische Bodenkomponente wird einerseits in ihrer Gesamtheit erfasst und deren Leistungen zum Teil mit stabilen (15N, 13C) und strahlenden (14C) Isotopen detektiert. Andererseits wird die Zusammensetzung der extrem komplexen mikrobiellen Gemeinschaften mit neuen Methoden bestimmt, die am Institut für Bodenökologie (weiter-) entwickelt wurden. Die Forschungsarbeiten des Instituts für Bodenökologie werden im Rahmen des HGF-Programms „Biogeosysteme: Dynamik und Anpassung“ des Helmholtz-Forschungs-

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organisms, and their abiotic environment is described with the aid of deterministic models. Changes in time and space are studied in order to make prognoses. • The root-soil-compartment (rhizosphere) plays an important role in the nutrition and health of plants and for the transformation of organic compounds in the soil. The Department of Rhizosphere Biology uses molecular genetic and in situ approaches to microbial ecology and plant enzymology to study microbial colonisation, signal exchange, and specific metabolic functions in the rhizosphere of crop plants. • The exposure chambers, sun simulators, and lysimeter facility provide access to complex semi-natural environmental scenarios that are reproducible. They are used in experiments to study the influence of climatic parameters (e.g., sun radiation, precipitation, carbon dioxide) in combination with the nutrient balance in soils, air pollutants (e.g., ozone), and UV-B radiation on the growth, metabolism, health, and fitness of plants, and on the function and stability of soils. Research in the Institute ranges from the microscale in the laboratory to the macroscale of a landscape (Research Farm Scheyern). The exposure chambers and lysimeters provide a link between the two. On the one hand, the biotic components of the soil are characterised in their totality and their performance detected in part using stable (15N, 13C) and radioactive (14C) isotopes. On the other, the composition of the extremely complex microbial communities is determined using new methods that have been and are being (further) developed at the Institute. The research is carried out under the Helmholtz research programme on ‘Biogeosystems: Dynamics, Adaptation and Adjustment’ in the research field ‘Earth and Environment’. The Institute’s director is deputy coordinator of the HGF programme on ‘Biogeosystems: Dynamics, Adaptation and Adjustment’. The focus of the research is the elucidation of microbial communities and the functions they regulate in terrestrial ecosystems of different use and exposure types. These essential functions for

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bereiches Erde und Umwelt durchgeführt. Der Institutsdirektor ist stellvertretender Sprecher des HGF-Programms „Biogeosysteme: Dynamik und Anpassung“. Im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten des Instituts steht die Aufklärung der mikrobiellen Gemeinschaften in terrestrischen Ökosystemen verschiedener Nutzungs- und Belastungstypen und durch sie gesteuerte Funktionen. Diese essentiellen Funktionen für nachhaltige und umweltgerechte Bodennutzung orientieren sich an Transformationen von Nähr- und Schadstoffen sowie an der Unterstützung des Pflanzenwachstums durch Mikroorganismen im Wurzelraum. Informationen über die Redundanz der mikrobiellen Funktionsträger werden Basis von Informationssystemen. Ein breites Spektrum an Untersuchungsmethoden der Geochemie, Genomik, Proteomik, Metabolomik und mathematischer Prozessmodellierung ermöglicht ein besseres Verständnis der grundlegenden Funktionen biotischer Gemeinschaften in Habitaten. Es bestehen Kooperationen mit den HGF-Programmen 2 und 5 des HGF-Forschungsbereiches Erde und Umwelt. Die Arbeiten am Institut werden federführend von Prof. Dr. A. Hartmann, Dr. E. Priesack, Dr. M. Schloter, Prof. Dr. P. Schröder, Dr. R. Schroll, Dr. H. Seidlitz und Dr. A. Zsolnay geleitet 22 Wissenschaftler(innen), 18 Doktoranden/innen, 5 Diplomand/innen, 17 technische Mitarbeiter(innen) und 5 Praktikanten waren an den Arbeiten beteiligt. Weiter waren 17 Gastwissenschaftler(innen) aus verschiedenen Ländern Europas, Asiens und Südamerikas im Institut tätig.

Zeitliche und räumliche Variabilität biotischer und abiotischer Kenngrößen in Böden unter landwirtschaftlicher Nutzung U. Bausenwein, A. Gattinger, M. Sommer, A. Embacher, U. Langer*, M. Schloter und J. C. Munch An die moderne Landwirtschaft werden ehrgeizige doch notwendige Forderungen gestellt. Trotz stetig wachsender Weltbevöl-

sustainable and environmentally acceptable soil use are oriented towards the transformation of nutrients and pollutants and the support of plant growth by microorganisms in the surrounding of the roots. Knowledge on the redundancy in microbial functions provides the basis for information systems. A broad spectrum of analytical methods from geochemistry, genomics, proteomics, metabolomics, and mathematical process modelling facilitate improved understanding of the fundamental functions of biotic communities in habitats. We collaborate with Programmes 2 and 5 of the HGF research field ‘Earth and Environment’. Research in the Institute is realized in the working groups of Prof. A. Hartmann, Dr. E. Priesack, Dr. M. Schloter, Prof. P. Schröder, Dr. R. Schroll, Dr. H. Seidlitz, and Dr. A. Zsolnay.

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In 2004, 22 scientists, 18 postgraduate students, 5 undergraduate students, 17 technicians, and 5 trainees participated in the research. In addition, there were 17 visiting scientists from various European, Asian, and South American countries.

kerung muss die Versorgung mit Lebensund Futtermitteln von höchster Qualität gewährleistet sein. Zusätzlich werden landwirtschaftliche Flächen vermehrt auch zur Produktion nachwachsender Rohstoffe genutzt. Die nachhaltige Nutzung landwirtschaftlicher Böden gewinnt angesichts schwindender landwirtschaftlicher Nutzflächen und deren Produktivität an Bedeutung und Dringlichkeit. Ziel eines modernen Agrarmanagements muss es daher sein, Bodenprozesse so zu steuern, dass der

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Abb. 1: Räumliche Heterogenität eines Schlages in Scheyern.

Boden dauerhaft hohe Erträge liefert, ohne seine Leistungsfähigkeit einzubüßen und gleichzeitig möglichst wenige Belastungen für die Umwelt ausgehen. Der Boden selbst ist als ein komplexer Organismus zu verstehen, dessen physikalische, chemische und biologische Prozesse – und deren Interaktionen – die Funktionen des Bodens bestimmen. Von besonderer Bedeutung sind dabei seine Mobilisierungs- und Immobilisierungseigenschaften von Nährstoffen, an denen maßgeblich Bodenmikroorganismen beteiligt sind. Ziel der Arbeiten am IBÖ ist es daher, dem Wechselspiel zwischen den mikrobiellen Gemeinschaften und abiotischen Bodengrößen und dessen Einfluss auf Bodenfunktionen zu verstehen und Konzepte zur Steuerung zu entwickeln. Der integrierte Landbau hat sich in den vergangenen Jahren als ein landwirtschaftliches Bewirtschaftungssystem entwickelt, das sowohl den ökologischen als auch ökonomischen Anforderungen Rechnung tragen soll. Von besonderer Bedeutung ist die standortgerechte Bewirtschaftung unter

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Berücksichtigung der Bodeneigenschaften (physikalische, chemische und -biologische), also mit Standortgerechtigkeit. Die IBÖUntersuchungen zum integrierten Landbau konzentrieren sich in erster Linie auf das Klostergut Scheyern, das seit 1990 dem FAM als Versuchsgut für ökologischen und integrierten Landbau dient. Der ausgewählte Schlag wird seither integriert bewirtschaftet. Dass gerade der Aspekt der Standortgerechtigkeit in der Praxis eine Herausforderung an den Landwirt darstellt, macht Abb. 1 deutlich. Diese Fernerkundungsaufnahme einiger Felder des Versuchsgutes zeigt für viele Flächen Blattflächenindices und zeigt auf, dass selbst innerhalb kleiner Schläge eine große räumliche Heterogenität besteht. Diese beruht auf Unterschieden in den bodenphysikalischen Eigenschaften und ist in einer detaillierten Bodenkarte für einen Schlag dargestellt. Vier Teilstandorte innerhalb dieser Ackerfläche waren Probennahmepunkte für die Untersuchungen. Im ersten Untersuchungsabschnitt konzentrierten wir uns auf einen Teilstandort über den

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Zeitraum eines ganzen Jahres (von Juli 2001 bis Juli 2002). Ziel war es, den Einfluss der Bodentiefe und des Probennahmezeitpunktes auf die Menge und Qualität der gelösten organischen Substanz, die Größe und Struktur der Mikrobengemeinschaften und deren Aktivität zu bestimmen. Bodenchemisch bedeutsam sind hierbei die wasserlöslichen Fraktionen der organischen Substanz (WEOC und WEON), da diese leichtverfügbare Substrate für Mikroorganismen sind. Ein Maß für die Qualität dieser Extrakte ist der Humifizierungsindex (HIX): je höher der Wert desto aromatischer – und damit schwerer abbaubar – sind die darin enthaltenen Verbindungen. Die Mikrobengemeinschaften wurden anhand zweier molekularer Fingerprint-Techniken untersucht: neben dem genotypischen Ansatz mittels RandomPrimer-PCR kam ein phänotypischer Ansatz, der die Phospholipide der Mikrobengemeinschaft charakterisiert, zum Einsatz. Drei wichtige Bodenenzyme mit Bedeutung bei C-, N- und P-Umsetzungen dienten als Maß für die Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaften. Herausstechendes Ergebnis dieser Erhebungen ist die hohe Variabilität in allen untersuchten Parametern, wobei die Bodentiefe einen erheblich größeren Einfluss hat als der Probennahmezeitpunkt. Die Minimalbodenbearbeitung als ein Charakteristikum des integrierten Landbaus ersetzte das bis 1990 gebräuchliche Pflügen. Das Fehlen dieser tiefen mechanischen Durchmischung findet seinen Niederschlag in der Ausbildung eines Tiefengradienten, bei dem alle Messgrößen mit der Tiefe abnehmen. Biotische Parameter sind stärkeren räumlichen und zeitlichen Schwankungen unterworfen als abiotische Parameter und von Interaktionen zwischen Bodentiefe und Probennahmezeitpunkt beeinflusst. Auffällig ist z. B., dass der Tiefengradient in den Aktivitäten der drei Bodenenzyme im Juli 2001 besonders ausgeprägt ist. Aktivitäten in dem

untersten untersuchten Bodenhorizont erreichen nur ca. 4–8% der Aktivitäten des obersten Horizontes. Ganz anders ist die Situation hingegen im Juli 2002. Zu diesem Zeitpunkt waren die Aktivitäten des untersten Horizontes nur um ca. 60% reduziert. Auch die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften ist eine variable Größe: In den Hauptkomponentendiagrammen beider Fingerprintansätze sind Proben aus den beiden oberen Horizonten eng gruppiert und von den Proben aus dem tiefsten Horizont abgegrenzt. Aber welche Zusammenhänge bestehen nun zwischen den von uns untersuchten Parametern? Eine Korrelationsmatrix zeigt, dass die stärksten Korrelationen die der Enzymaktivitäten mit der mikrobiellen Biomasse sind. Dabei haben die zellgebundenen Enzyme ß-Glucosidase und Phosphatase einen höheren Korrelationskoeffizienten als die extrazelluläre Protease. Diese starken Korrelationen liefern auch einen Hinweis auf die Redundanz innerhalb der Mikrobengemeinschaften: unterschiedliche Organismen können vergleichbare Funktionen erbringen. Die Größe der mikrobiellen Biomasse ist von der Menge der wasserlöslichen organischen Substanz beeinflusst. Mithilfe der PLFA-Bestimmung lassen sich auch Aussagen über die Diversität der Bodenmikroorganismen machen. Diese ist sowohl abhängig von der Menge als auch der Qualität (HIX) der gelösten organischen Substanz. Komplexere, aromatischere Substrate fördern demnach eine vielschichtigere Organismengemeinschaft, da diese wahrscheinlich über eine größere Vielzahl an Abbauwegen verfügt. Der zweite Versuchsabschnitt mit ähnlichen Untersuchungen an den vier Teilstandorten des Schlags liefert erste Hinweise, dass sich diese in ihrer Organismenstruktur und Enzymaktivitäten unterscheiden, allerdings in geringerer Ausprägung als bei der oben beschriebenen Tiefenprofilierung.

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Zusammenarbeit

Es bestehen enge Beziehungen zu mehreren Universitäten und Forschungseinrichtungen. Der Leiter des Instituts hat im Rahmen seiner Doppelberufung den Lehrstuhl für Bodenökologie an der Technischen Universität München am Wissenschaftszentrum Weihenstephan inne. Mehrere Institutsangehörige sind in den Lehrbetrieb beider Münchner Universitäten sowie der Universität Göttingen eingebunden. Die Zusammenarbeiten in der Forschung im Raum München sind zahlreich. Die großen gemeinsamen Projekte sind der Forschungsverbund Agrarökosysteme München FAM (Leitung beim Institutsdirektor) und der SFB 607 (Institutsdirektor ist Mitglied des Vorstandes). Mehrere Zusammenarbeiten mit weiteren Einrichtungen sind durch gemeinsame Finanzierungen getragen (SPP, gemeinsame Projekte).



Ausgewählte Veröffentlichungen

Cox, L., Fernandes, M.C., Zsolnay, Á., Hermosín, M.C. and Cornejo, J.: Changes in DOM of soil amendments with aging: Effect on pesticide sorption behaviour. J. Agr. Food Chem. 52: 5635-5642 (2004) Dilly, O., Bloem, J., Vos, A. and Munch, J.C.: Bacterial diversity in agricultural soils during litter decomposition. Appl. Environ. Microbiol. 70: 468-474 (2004) Gayler, S., Leser, C., Priesack, E. and D. Treutter: Modelling the effect of environmental factors on the „trade-off“ between growth and defense compounds in young apple trees. Trees 18, 363-371 (2004) Schroll, R., Brahushi, F., Dörfler, U., Kühn, S., Fekete, J. and Munch, J.C.: Biomineralisation of 1,2,4-trichlorobenzene in soils by an adapted microbial population., Environmental Pollution 127, 395-401 (2004) Sharma, S., Aneja, M., Mayer, J., Schloter, M. and Munch, J.C.: RNA fingerprinting of microbial community in the rhizosphere soil of grain RNA legumes, FEMS Microbial Letters, 240, 181-186 (2004)

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