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WP 3: Boden-Mikrobiom, bodenbiogeochemische Prozesse und Biosphäre-Atmosphäre-Hydrosphäre-Austausch umweltrelevanter Spurenstoffe

Abb. 1: Kernmikrobiome der drei (sub)alpinen Standorte Esterberg (ES), Graswang (GW) und Fendt (FE) und deren Schnittmengen basierend auf 16S rRNA-Amplikon-Sequenzierung (Bodentiefe 0-5 cm; > 50% Vorkommen in allen Proben eines Standorts; Auflösung: 97% Ähnlichkeit ? Artebene).

Boden-Mikrobiom: Mikroorganismen sind Treiber für eine Vielzahl von Ökosystemdienstleistungen von Böden, wie z.B. Pflanzenwachstum, Schadstoffabbau, N-, P- und C-Umsetzung oder Erosionsschutz. In einer initialen Charakterisierung zum Zeitpunkt der Verpflanzung der Bodenkerne wurde die mikrobielle Diversität der Ausgangsböden an den Standorten (sub)alpinen Esterberg (ES; 1300 m ü. NN), Graswang (GW; 900 m ü. NN) und Fendt (FE; 550 m ü. NN) anhand von 16S rRNA-Amplikonsequenzierung erfasst und ein Kernmikrobiom ermittelt (Abbildung 1). Das Kernmikrobiom  umfasst pro Standort rund 540-550 operational taxonomic units (OTUs) auf einem Level von 97% Ähnlichkeit. Davon ist mit knapp 50% ein relativ großer Anteil allen drei Standorten gemeinsam. Der Standort Esterberg weist mit knapp 3% die geringste Anzahl nur dort vorhandener OTUs auf, Fendt mit gut 12% die größte.

Abb.2: . N-Mineralisierung in Graswang (links) und Graswang versetzt nach Fendt (rechts)

Bodenbiogeochemische Prozesse und Biosphäre-Atmosphäre-Hydrosphäre Austausch umweltrelevanter Stoffe: Grünlandböden in allen Höhenlagen (Graswang, Rottenbuch, Fendt) zeichnen sich durch nur geringe umweltrelevante Austräge von Lachgas (N2O) und Stickstoff mit dem Sickerwasser aus, was auf eine dominierende Rolle der N-Aufnahme durch die Pflanzen sowie auch der mikrobiellen Immobilisierung im Boden zurückzuführen ist. Klimawandel führt zu einer signifikant erhöhten N-Mineralisierung (Abbildung 2), die verstärkt das Pflanzenwachstum fördert, aber nur unter wasser- und damit wachstumslimitierenden Bedingungen zu leicht erhöhten N2O Emissionen und N Austrägen mit dem Sickerwasser führt.

Aufgrund der pedogenen und klimatischen Voraussetzungen ist N2 an Stelle von N2O in der Denitrifikation das dominierende Endprodukt, was dazu führt, dass N2 Verluste generell eine wichtige Größe in der N Bilanz der untersuchten Grünlandökosysteme darstellen, und hier auch signifikant höhere Emissionen durch den Klimawandel auftreten. Zudem konnte erstmals gezeigt werden, dass Frost-Tau-Ereignisse, die unter Klimawandelbedingungen aufgrund verringerter Schneebedeckung zunehmen dürften, nicht nur zu N2O- sondern auch zu (quantitativ viel größeren) N2-Puls-Emissionen führen. Die Kooperation zwischen KIT und HMGU, also die Kombination biogeochemischer Prozessstudien mit molekularbiologischer Analyse der Abundanz und Aktivität involvierter Mikroorganismen, erwies sich als großer Gewinn für das funktionale Verständnis der ökosystemaren N-Umsetzungen unter sich ändernden Klima- und Managementbedingungen.