Ergebnisse
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Das Lysimeterexperiment
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Aufbau
Die Lysimeterzylinder wurden im Jahr 2000 mit Boden aus dem Högelwald gefüllt, wobei das Bodenmaterial am Standort Horizontweise entnommen und entsprechend der Horizontierung des Standortes succzessive in die Zylinder gefüllt und verdichtet wurde. Der Boden wurde mit wasserdurchlässigem Schaumstoff abgedeckt und sollte sich natürlich weiter verdichten. Der Oberboden (Ah-Horizont, 30 cm) wurde im Frühjahr 2003 durch frischen Originaloberboden (horizontiert, incl. Streuschicht) aus dem Högelwald ersetzt. Um zu untersuchen inwieweit sich der Boden durch die Lagerung in der Lysimeteranlage im Vergleich zum Ursprungsboden verändert hatte, wurde die Zahl der proteolytischen Gene (apr npr sub) als Indikator für Bodenqualität (Nachlieferung von Stickstoff durch Mineralisierung) mittels quantitativer PCR bestimmt. Abbildung 8 zeigt, dass durch die Lagerung des Bodens in den Lysimetern die Zahl der proteolytischen Gene nach der Probennahme in den darauf folgenden Jahren deutlich abnimmt. Durch die Zugabe der Streu im Jahr 2003 scheint es zu einer langsamen Regeneration des entsprechenden Genpools zu kommen.
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Abb. B12-8: Erfassung der proteolytischen Gene (apr, npr, sub) in den Böden der 8 Lysimeter in den Jahren 1999 – 2003 zu jeweils 3 unterschiedlichen Zeitpunkten mit Hilfe der quantitativen TaqMan PCR Technologie.
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Pro Lysimeter mit 1 m2 Fläche wurden im November 2002 4 (3-jährige) Buchen gepflanzt. Das eingesetzte Pflanzenmaterial wurde durch die Gruppe A5 bonitiert und wird durch das Teilprojekt A9 genetisch charakterisiert. Zwischen den einzelnen Lysimetern wurden in derselben Dichte zusätzliche Buche gepflanzt, sowohl um einen Bestand zu erstellen als auch um Boden- und Wurzeluntersuchungen mit destruktiven Methoden leisten zu können.
Zur Ozonbegasung der Buchen auf den Lysimetern wurden „Vorhänge“ von 1 m langen Teflonschläuchen mit jeweils 9 Düsen (9 auf der westlichen Seite und 9 auf der östlichen Seite der zu begasenden 4 Lysimeter) an einen Ozongenerator angeschlossen. Beide „Vorhänge“ sind getrennt steuerbar, womit je nach Windrichtung eine entsprechende optimale Einregulierung erfolgen kann. Die Begasung wurde im Herbst 2002 gestartet. Die Abtrennung der jeweiligen Lysimeter mit/ohne Begasung erfolgte durch eine Plexiglaswand. Abbildung 9 zeigt einen Teil der Lysimeter incl. der Randbepflanzung.
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Abb. B12-9: Realisierung der Ozonbegasung auf den Lysimetern
In Abbildung 10 ist der Verlauf der Ozonkonzentration in den 4 begasten Lysimetern (helle Linien) im Vergleich zu den Kontrolllysimetern (schwarze Linien) über einen Zeitraum von 5 Tagen zu sehen. Die Graphik spiegelt einen typischen Tag – Nachtverlauf an heißen Sommertagen wieder. Die Regulation der doppelt ambienten Ozonkonzentration zeigt praktisch keine Ausreißer. Die Lysimeterböden wurden in mehreren Tiefen mit TDR Sonden zur Erfassung des Wasserhaushalts bestückt. Ferner wurden Rhizoskopen zur Verfolgung des Wurzel- und Mykorrhizawachstums eingebaut.
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Abb B12-10: Verlauf der Ozonkonzentration in den 4 begasten Lysimetern (helle Linien) im Vergleich zu den Kontrolllysimetern (schwarze Linien) über einen Zeitraum von 5 Tagen im August 2003
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Erste Ergebnisse der Lysimeterbegasung
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Im Folgenden werden einige erste Ergebnisse aus den Lysimeter-begasungsexperimenten vorgestellt:
Auswirkungen der Ozonbegasung auf das Pflanzenwachstum
Während die Analysen der Blätter im Juni, August und September keine signifikanten Unterschiede in ihrem Zuckergehalt, und in ihrer Nährstoffzusammensetzung (Teilprojekte B10 und A6) im Vergleich von Ozonbegasten Buchen und Kontrollpflanzen ergaben, zeigte die Analyse der effektiven Quantenausbeute einen Ozonbedingten Einfluss, der allerdings wegen der hohen Schwankung zwischen den Blättern einzelner Bäume nicht signifikant war (Teilprojekt B5). Die Reduktion der effektiven Quantenausbeute unter Ozonstress ist in Abbildung 11 für die Monate Juni und August dargestellt. Die Analyse weiterer pflanzenspezifischer Parameter insbesondere die Analyse der phenolischen Blattinhaltsstoffe ist für das Jahr 2003 noch nicht abgeschlossen.
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Abb B12-11: Effektive Quantenausbeute der Schattenblättern ozonbegaster Bäume (weiße Säulen) und von Kontrollbäumen (schwarze Säulen) auf den Lysimetern im Juni und August 2003
Auswirkungen der Ozonbegasung auf Bodenprozesse
Im Herbst 2003 erfolgte die Messung enzymatischer Aktivitäten in der Mykorrhizosphäre durch Teilprojekt B9. Die Ergebnisse zeigen für alle gemessenen Enzyme eine erhöhte Aktivität bei den Lysimetern die mit Ozon begast wurden. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei der Phosphatase Aktivität mit einer 5-mal erhöhten Aktivität in den begasten Lysimetern (Abbildung 12).
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Abb B12-12: Enzymaktivitäten in den Böden der Ozon begasten Lysimeter (weiße Säulen) und der Kontrollysimeter (schwarze Säulen) im Herbst 2003
Ebenso wie bei den Enzymaktivitäten zeigten sich auch im Abbau der Streu deutliche Unterschiede zwischen Ozon begasten- und Kontroll- Lysimetern. Für die Abbauversuche wurde die Streu der jeweiligen Lysimeter eingesetzt, das heißt für die Versuche in den ozonbegasten Lysimetern wurde auch Streu von ozonbegasten Bäumen eingesetzt. Entsprechend wurde für die Abbauversuche in den Kontroll- Lysimetern nur Streu aus den Nicht-begasten Lysimetern eingesetzt. Abb. 13 zeigt deutliche Unterschiede in der bakteriellen Mikroflora, die das Streumaterial besiedelt haben sowohl nach 2 Wochen als auch nach 8 Wochen Inkubation des jeweiligen Streumaterials in den Lysimeterböden. Zwar nimmt in beiden Lysimeterböden die Diversität mit der Zeit zu, doch ist die Zahl der Banden beim direkten Vergleich in den ozonbegasten Lysimetern sowohl nach 2 als auch nach 8 Wochen Inkubation deutlich geringer als in den Kontroll-Lysimetern. Eine signifikante Auswirkung auf die jeweiligen Abbauraten der Streu wurden nicht festgestellt (Daten nicht gezeigt).
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Abb B12-13: Vergleich der Zusammensetzung bakterieller Populationen, die sich auf eingebrachter Buchenstreu ansiedelten, an Hand von 16S rRNA Fingerprints nach 2 (a) bzw. 8 (b) Wochen Inkubation der Streu in dem Boden der Lysimeteranlage (Ah Horizont) (Spur 1 und 3: Buchenstreu aus den Kontroll-Lysimetern inkubiert im Boden der Kontroll-Lysimeter nach 2 und 8 Wochen; Spur 2 und 4: Buchenstreu aus den Ozon begasten-Lysimetern inkubiert im Boden der Ozon begasten-Lysimeter nach 2 und 8 Wochen)
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Vergleich mit Arbeiten außerhalb des Sonderforschungsbereiches und Reaktion der wissenschaftlichen Öffentlichkeit auf die eigenen Arbeiten
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In den vergangenen Jahren haben Untersuchungen zum mikrobiellen Streuabbau weiter an Bedeutung gewonnen. In zunehmendem Maße wird erkannt, dass gerade an Standorten mit schlechter Nährstoffversorgung die Nachlieferung von Stickstoff durch die Freisetzung aus der Pflanzenstreu von essentieller Bedeutung für das Pflanzenwachstum an den entsprechenden Standorten ist. Neben dem Einfluss der Bodennutzung zeigen unsere Ergebnisse klar den Einfluss der Streuzusammensetzung auf deren Abbaubarkeit. So wird Streu von Buchen mit einer anderen Kinetik abgebaut als Streu von Fichten; Streu von Bäumen die im Gewächshaus gezogen wurden wird anders abgebaut als Streu von Freilandbäumen. Diese Ergebnisse bestätigen Befunde von anderen Autoren (14). Zusätzlich konnte in unseren Experimenten aber auch belegt werden, dass Streu von Ozonbegasten Bäumen langsamer abgebaut wird als Streu von nicht begasten Bäumen (Gewächshauspflanzen). Der Grund hierfür liegt in den reduzierten Zuckergehalten der Streu von Ozonbegasten Bäumen und dem erhöhten C/N Verhältnis. Der Einfluss von löslichen Zuckern auf den initialen Abbau von Streu wurde erstmals von Hammel 1997 (17) beschrieben. Die Verzögerung des Streuabbaus durch einen erhöhten Anteil an Lignin und anderen polymeren Substanzen (30) ist auch für die Streu der Ozonbegasten Buchen wahrscheinlich, muss aber noch verifiziert werden.
Besonders interessant war die Untersuchung zum Zusammenhang zwischen Abbauraten und den entsprechenden an der Zersetzung des Streumaterials beteiligten Mikroorganismen. Die Ergebnisse dieses Teilprojektes zeigen deutlich, dass die Abbaukinetiken der Streu unmittelbar mit der Aktivität der Mikroflora und der Induktion der Transkription spezifischer Gene (Hydrolasen, Esterasen) gekoppelt sind. Umgekehrt ist die Aktivität und Diversität der Mikroflora auf dem abzubauenden Streumaterial mit der Zusammensetzung der Streu korreliert. So entwickelte sich die Mikroflora auf dem Streumaterial, das geringere Zuckergehalte und erhöhte C:N Verhältnisse aufwies langsamer als auf Streu mit niedrigem C:N Verhältnis und einem verhältnismäßig hohen Anteil an Zuckern. Ähnliche Effekte wurden auch von Cox t al (9,10) und Frankland et al (15) beschrieben. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass vor allem pilzliche Aktivitäten für den Abbau der Streu verantwortlich sind. Allerdings spielen auch Bakterien eine wichtige Rolle, nicht zu vernachlässigende Rolle beim Abbau.
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