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WP 3: Microbiom und Biogeochemistry

Fig. 1: Core microbiome of the three (sub)alpine sites Esterberg (ES), Graswang (GW) and Fendt (FE) based on 16S rRNA-gene amplicon sequencing (soil depth 0-5 cm; > 50% appearance in all samples of each site; resolution: 97% similarity ? species level).

Microorganisms function as drivers for a variety of soil ecosystem services, such as plant growth, bioremediation, N-, P- and C cycling or erosion control. In an initial characterization effort microbial diversity at the three (sub)alpine sites Esterberg (ES; 1300 m height above sea level), Graswang (GW; 900 m height above sea level) and Fendt (FE; 550 m height above sea level) was determined by 16S rRNA-gene amplicon sequencing and a core microbiome determined (Figure 1). The core at each of the three sites on 97% similarity level comprises about 540-550 operational taxonomic units (OTUs). A relatively large portion (almost 50%) of the total 728 OTUs is common to all sites. Esterberg is the site with the lowest number of unique OTUs (3%), while with about 12% Fendt shows the higest number.

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.