Mikrobiologie in der Bodenkunde

Bakterien und Archaeen sind neben vielen Arten von Pilzen, Algen und Protozoen die am häufigsten vorkommenden Mikroorganismen im Boden. Aktinobakterien sind eine Bakterienart, die hauptsächlich in Böden und Gewässern vorkommt und aufgrund der konvergenten Evolution große physikalische Ähnlichkeiten mit Pilzen aufweist, die beide die Rolle des Zersetzers organischer Stoffe erfüllen. Aus diesem Grund wurden sie viele Jahre lang falsch identifiziert. Archaea spielen ähnliche Rollen wie Bakterien in Böden und es wurde gezeigt, dass sie auf die gleiche Weise unterschiedliche Gemeinschaften auf Boden- oder Wasserbasis bilden.

Pilze sind im Vergleich zu der überwältigenden Menge an Bakterien in Böden weit weniger verbreitet, spielen aber vermutlich eine entscheidende Rolle beim anfänglichen Abbau organischer Stoffe. Daher findet man Pilze häufiger auf größeren groben Sandpartikeln. Protozoen spielen auch eine wesentliche Rolle im Ökosystem und im Nährstoffkreislauf, indem sie Nährstoffe für andere Lebensformen verfügbar machen. Protozoen verzehren Bakterien und spielen somit eine Rolle bei der Populationskontrolle und der Weiterleitung von Stickstoff und anderen mineralisierten Elementen in die Nahrungskette.

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Bodenmikroorganismen, insbesondere Bakterien, sind für den größten Teil der globalen Stickstofffixierung verantwortlich und machen dadurch Stickstoff für die überwiegende Mehrheit des Lebens auf der Erde verfügbar, der sonst als molekularer Distickstoff unzugänglich in der Luft eingeschlossen wäre. Diese Mikroorganismen erzeugen aus Stickstoff Ammoniak, das dann von Pflanzen genutzt und schließlich wieder in Stickstoffgas umgewandelt werden kann. Verschiedene Mikroorganismen verwenden mindestens 14 einzigartige Redoxreaktionen, um die Umwandlung von Stickstoffverbindungen unter Verwendung von Enzymen zu erreichen.

Bodenmikroorganismen sind ebenso maßgeblich am biogeochemischen Kreislauf zahlreicher Elemente beteiligt, einschließlich der lebensnotwendigsten; Kohlenstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel, die in DNA und funktionellen Proteinen vorkommen. Ohne die metabolische Aktivität von Chemo- und Photosynthese-Mikroorganismen würden diese Elemente in der Atmosphäre, der Lithosphäre oder den Ozeanen eingeschlossen bleiben und einem höheren Leben nicht zugänglich sein.

Tatsächlich wurde das große Oxidationsereignis vor etwa 2,2 Milliarden Jahren durch die Vermehrung photosynthetisierender Cyanobakterien in der Pedosphäre (Böden) und der Hydrosphäre verursacht. Während dieser Zeit veränderte sich die elementare Zusammensetzung der Atmosphäre in Bezug auf den Sauerstoffgehalt erheblich, was das früheste bekannte Massensterben dieser Organismen verursachte, die sich nicht anpassen konnten.

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Der Boden kann aus einem unterschiedlichen Verhältnis von mineralischen und organischen Bestandteilen unterschiedlicher Grobheit bestehen, von grobkörnigem Sand bis hin zu feinem Schluff und Ton, die jeweilige mittlere Bodenpartikeldurchmesser von 2 mm bis hinunter zu 0,002 mm haben können, und wird basierend auf ihrem Prozentsatz klassifiziert Zusammensetzung aus Sand, Schluff und Ton. Landwirtschaft und andere Umweltbedingungen beeinflussen die Partikelgröße und ändern folglich die mikrobielle Aktivität.

Mikrobielle Biomasse ist aufgrund der größeren verfügbaren Oberfläche am stärksten in Böden konzentriert, die kleinere Partikel enthalten, obwohl einige Bakterienstämme besser in Ton- oder Sandböden gedeihen. Zum Beispiel α-Proteobakterien wurde gezeigt, dass es bevorzugt auf größeren Partikeln kultiviert, Acidobakterium auf kleiner. Trotz dieser ausgeprägten Präferenz für die Bodenpartikelgröße stellt die vielfältige Natur der Böden sicher, dass jede gegebene Bodenprobe eine beträchtliche Vielfalt an Bakterienarten enthält.

Andere wichtige Bedingungen in Bezug auf die mikrobielle Aktivität im Boden sind unter einer fast endlosen Liste der Feuchtigkeitsgehalt, der pH-Wert, die Umgebungstemperatur, die Häufigkeit der Zyklen und das Vorhandensein organischer Nährstoffe. Torf ist eine Bodenart, die aufgrund der unvollständigen Zersetzung von Pflanzenmaterial in Staunässe einen hohen Anteil an organischem Material enthält. Obwohl Torf weniger als 4 % der Erdoberfläche bedeckt, enthält Torf bis zu einem Drittel des globalen Kohlenstoffs, der derzeit im Boden gespeichert ist.

Aufgrund dieser enormen Kohlenstoffkonzentration haben sich Torfmikroben angepasst, um die Nährstoffquelle zu nutzen und Kohlendioxid und Methan als Stoffwechselprodukte zu erzeugen. Saurer und nährstoffärmerer Torf unterstützt weniger vielfältige mikrobielle Gemeinschaften, und Studien zeigen, dass sich das Stoffwechselprofil dieser Gemeinschaften als Reaktion auf Umweltveränderungen erheblich und mit großer Empfindlichkeit ändern kann. Torfmoore und Niedermoore sind daher von großer ökologischer Bedeutung im Hinblick auf den Klimawandel, wo eine Änderung der Temperatur, der Feuchtigkeit oder des pH-Werts die Methanbildung beschleunigen könnte, was weiter zum Problem des Klimawandels beiträgt.

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