Mikroorganismen: Wir sind der Motor des Bodenstoffkreislaufs!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Qingkui und Zhao Xuechao (Institut für Angewandte Ökologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shenyang)

Hersteller: China Science Expo

Mikroorganismen kommen in der Natur überall vor und der Boden ist ihr Basislager und das natürliche „Nährmedium“ für ihr Wachstum und ihre Vermehrung. Unter Bodenmikroorganismen versteht man alle Kleinstlebewesen im Boden, die mit bloßem Auge nur schwer zu erkennen sind. Dazu zählen vor allem Bakterien, Pilze, Strahlenpilze und Algen.

Sie sind wichtige Bestandteile des Bodens, ihre Größe ist jedoch sehr klein und wird normalerweise im Mikrometer- oder Millimeterbereich gemessen. Die Anzahl und Vielfalt der Mikroorganismen im Boden sind erstaunlich. In einem Gramm Erde können Hunderte bis Zehntausende von ihnen vorkommen, und es gibt Tausende oder sogar Zehntausende von Arten. Bakterien sind am zahlreichsten, gefolgt von Actinomyceten und Pilzen; Algen sind relativ selten. Ihre Menge und Art im Boden variieren je nach Bodenumgebung.

Abbildung 1 Mikroorganismen unter dem Mikroskop

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Rezepte der Bodenmikroben

Bodenmikroorganismen sind für die Bodenbildung und -entwicklung, den Stoffkreislauf und das Pflanzenwachstum von großer Bedeutung. Man kann sagen, dass sie die Grundlage dafür bilden, dass der Boden Produkte produzieren, Wasser reinigen und zum wirksamsten Speicherort für Kohlendioxid werden kann.

Wie wir Menschen müssen auch Mikroorganismen ständig Nahrung aus der äußeren Umgebung aufnehmen, um zu überleben und ihren Körper gesund zu erhalten. Unsere menschlichen Nahrungsmittel werden nach dem Nahrungsmittelnamen benannt, wie etwa Reis, Tomaten, Rindfleisch usw., während die Nahrungsmittel der Mikroorganismen hauptsächlich nach den physiologischen Wirkungen in ihrem Körper klassifiziert werden, wie etwa Kohlenstoffquelle, Stickstoffquelle, Wachstumsfaktor, Wasser usw.

Zu den Kohlenstoffquellen, die Mikroorganismen häufig verbrauchen, gehören hauptsächlich Zucker, organische Säuren, Kohlendioxid, Proteine ​​usw., während zu den Stickstoffquellen, die sie nutzen können, hauptsächlich Proteine ​​und deren Abbauprodukte, Ammoniumsalze, Nitrate, molekularer Stickstoff, Harnstoff, Amine, Amide usw. gehören.

Darüber hinaus müssen Mikroorganismen auch Vitamine, Aminosäuren, Purine und Pyrimidine aufnehmen, um ihren eigenen Wachstumsbedarf zu decken. Anorganische Salze sind ebenfalls Substanzen, die für das Wachstum von Mikroorganismen erforderlich sind. Dazu gehören im Allgemeinen Phosphate, Sulfate und Verbindungen, die Elemente wie Natrium, Kalium, Kalzium, Magnesium und Eisen enthalten. Wasser ist auch ein wichtiges Bindeglied beim Wachstum von Mikroorganismen und fungiert hauptsächlich als Lösungs- und Transportmedium. Darüber hinaus kann Wasser auch an einer Reihe chemischer Reaktionen innerhalb seiner Zellen teilnehmen.

Mikrobielle Bodenrückstände: ein wichtiger Bestandteil des Kohlenstoffpools im Waldboden

Der Kohlenstoffpool im Waldboden bezieht sich auf die im Wald vorhandene kohlenstoffhaltige organische Substanz und ist der wichtigste Kohlenstoffpool in terrestrischen Ökosystemen. Bäume absorbieren durch Photosynthese Kohlendioxid aus der Atmosphäre, erhalten ihr eigenes Wachstum aufrecht und produzieren einige tote Äste und Blätter sowie tote Wurzeln. Die toten Äste und Blätter, das tote Holz, die Baumstümpfe und die toten Baumwurzeln, die wir in unserem täglichen Leben sehen, sind allesamt Quellen für Kohlenstoffspeicher im Waldboden. Bodenmikroorganismen nutzen diese organischen Substanzen als Nahrung für ihr eigenes Wachstum und ihre Vermehrung.

Die Lebensdauer von Bodenmikroorganismen ist sehr kurz und beträgt im Allgemeinen einige zehn Minuten bis mehrere Stunden oder Tage. Sie verfügen über ein ausgeprägtes Fortpflanzungsvermögen und können sich in kurzer Zeit mehrere oder sogar Dutzende Male vermehren. Nach dem Tod der Mikroorganismen werden einige der in ihrem Körper enthaltenen Substanzen von anderen Mikroorganismen aufgenommen und verwertet, während die restlichen, schwer abbaubaren Substanzen im Boden verbleiben. Diese im Boden zurückgehaltenen Substanzen bezeichnen wir als mikrobielle Bodenrückstände. Unter normalen Umständen können sie lange Zeit im Boden verbleiben und sind ein wichtiger Bestandteil des organischen Kohlenstoffpools im Waldboden.

Abbildung 2 Häufige Mikroorganismen in Waldökosystemen

(Bildquelle: Referenz 1)

Was ist der Unterschied zwischen Bakterienrückständen und Pilzrückständen?

Zu den mikrobiellen Rückständen im Boden zählen hauptsächlich Bakterien- und Pilzrückstände. Beide sind wichtige Bestandteile des Kohlenstoffpools im Waldboden, unterscheiden sich jedoch voneinander. Zunächst einmal ist die „Nahrung“, die Bakterien und Pilze zu sich nehmen, nicht genau dieselbe und es gibt auch Unterschiede in ihrer Fähigkeit, Nahrung aufzunehmen. Da Bakterien über schwache Enzymsysteme verfügen, verbrauchen sie mehr Energie, um diese Nahrungsmittel zu „verdauen“, und es wird mehr Kohlenstoff in Form der Atmung freigesetzt, während relativ weniger Kohlenstoff zur Synthese von Biomasse verwendet wird. Im Gegenteil, Pilze können aufgrund ihrer „starken Verdauungsfähigkeit, guten Absorption und hohen Nahrungsverwertungsrate“ mehr Biomasse produzieren.

Darüber hinaus wird das Zytoplasma nach dem Absterben der Bodenmikroorganismen von anderen Mikroorganismen wiederverwendet und die Zellwände bilden nach dem Umsatz allmählich mikrobielle Rückstände. Allerdings wirken sich die Unterschiede in der Zellwandzusammensetzung von Bakterien und Pilzen auch auf den Beitrag ihrer mikrobiellen Rückstände zum Kohlenstoffpool im Boden aus. Die bakterielle Zellwand besteht hauptsächlich aus relativ leicht abbaubaren Substanzen wie Peptidoglykan, während die Pilzzellwand hauptsächlich aus schwer abbaubaren Substanzen wie Chitin und Melanin besteht.

Daher sind Pilzrückstände im Vergleich zu Bakterienrückständen weniger essbar und werden von den meisten Mikroorganismen nicht gerne gefressen. Mit der Zeit werden Pilzrückstände mehr zum organischen Kohlenstoffpool des Waldbodens beitragen als Bakterienrückstände.

Mikroorganismus: Es ist so kalt, ich will nicht arbeiten!

Unser Land verfügt über ein riesiges Territorium, große Klimaunterschiede zwischen Nord und Süd und artenreiche Wälder. In den Wäldern kalter Regionen dominieren Nadelbäume mit einer relativ kurzen Vegetationsperiode. Die abgestorbenen Äste und Blätter enthalten viele schwer abbaubare Stoffe, die von Mikroorganismen nicht gerne aufgenommen werden und den „Appetit“ der Bodenmikroorganismen nicht stillen können.

Gleichzeitig sind Mikroorganismen, genau wie wir Menschen, recht „empfindlich“ und ihre Aktivitäten werden durch zu große oder zu große Hitze nicht gefördert. Das kalte Klima führt dazu, dass die Mikroorganismen im Boden während des langen Winters in einen „Winterschlaf“ verfallen und organische Stoffe, die von den Mikroorganismen nicht vollständig verwertet werden, im Boden verbleiben. Dies führt letztlich dazu, dass der Beitrag mikrobieller Bodenrückstände zum organischen Kohlenstoffpool im Boden in kalten Wäldern geringer ist als in warmen Wäldern.

Abbildung 3 Schematische Darstellung der dynamischen Veränderungen mikrobieller Rückstände im Waldboden

(Bildquelle: Referenz 2)

Wälder sind der größte Kohlenstoffspeicher in terrestrischen Ökosystemen und spielen eine entscheidende Rolle bei der Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit, der Gewährleistung der Ernährungssicherheit und der Regulierung des Klimawandels. Mikrobielle Rückstände im Boden tragen fast 50 % zum organischen Kohlenstoffpool im Wald bei.

Daher trägt die Förderung der Bildung mikrobieller Rückstände im Boden dazu bei, die Kohlenstoffbindungskapazität des Waldes zu verbessern und die Kohlenstoffsenkenfunktion des Waldökosystems zu stärken. Aufgrund der jährlichen Ansammlung ist der Beitrag mikrobieller Rückstände im Boden zum organischen Kohlenstoffpool des Waldes nicht zu vernachlässigen. Unterschätzen Sie diese kleinen Kerle nicht!

Herausgeber: Sun Chenyu

Quellen:

1.Peay, KG, Kennedy, PG, Talbot, JM, 2016. Dimensionen der Biodiversität im Mykobiom der Erde. Nature Reviews Mikrobiologie 14, 434-447.

2.Zhao,