Regelung der Pilzdenitrifikation in Böden

Hintergrund und Zielsetzung

Sauerstoffarme Bedingungen im Boden führen dazu, dass Mikroorganismen denitrifizieren können; das heißt, sie können Nitrat oder Nitrit reduzieren und so das Treibhausgas Lachgas (N₂O) und Stickstoff (N₂) freisetzen. Auch nach jahrzehntelanger Forschung ist noch nicht abschließend geklärt, welchen Beitrag Pilze an N₂O-Emissionen aus der Denitrifikation im Boden haben können.

Neuste Studien konnten zeigen, dass wahrscheinlich nur wenige Arten denitrifizieren können (Keuschnig et al. 2020). Der Beitrag an den gesamten Emissionen aus der Denitrifikation könnte jedoch hoch sein, da Pilze im Gegensatz zu Bakterien das N₂O nicht weiter zu N₂ reduzieren können.

Den Anteil von Pilzen an der N₂O-Freisetzung aus Böden eindeutig zu bestimmen, ist nach wie vor schwierig, auch weil im Boden zeitgleich verschiedenste Prozesse (z.B. die Denitrifikation, Nitrifikation und Codenitrifikation) von Mikroorganismen ausgeführt werden können. Um Modellberechnungen der N₂O-Emissionen verbessern oder Minderungsmaßnahmen entwickeln zu können, ist daher ein genaueres Prozessverständnis nötig.

Dieses Fortsetzungsprojekt zielt darauf ab, verschiedene Versuchsansätze zu prüfen und zu kombinieren und so eine Methode zu entwickeln, die zur Quantifizierung der N₂O-Emissionen aus der pilzlichen Denitrifikation genutzt werden kann.

Zielgruppe

Wissenschaft, Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft, Fachöffentlichkeit und Interessenverbände der Landwirtschaft und des Umweltschutzes

Vorgehensweise

Auf Grundlage bisheriger Studien sollen zum einen die Substrat-induzierte Respiration mit selektiver Hemmung (englisch substrate-induced respiration with selective inhibition, SIRIN) sowie die Analyse stabiler Isotope im Lachgas genutzt werden, um den Anteil von pilzlich produziertem N₂O in kontrollierten Inkubationsversuchen zu bestimmen. Weil eine Validierung dieser Methoden bislang fehlt, sollen beide Methoden überprüft und verbessert werden.

Dies beinhaltet die Überprüfung der genutzten Hemmstoffe für Bakterien und Pilze und ob die Isotopensignaturen im N₂O aus verschiedensten Prozessen von den untersuchten Reinkulturen vergleichbar mit denen der Bodengemeinschaft sind. Teil der kontrollierten Inkubationen sind die Inkubationen der extrahierten Gemeinschaften im sterilen Medium, aber auch in sterilen Böden. Außerdem sollen verschiedene Böden unter variierenden Bedingungen (z.B. Sauerstoffverfügbarkeit, Temperatur, Kohlenstoffquelle, Elektronenakzeptor) inkubiert werden. Zusätzlich sollen die Isotopensignaturen gemessen werden sowie Methoden der Polymerase-Kettenreaktion (englisch polymerase chain reaction, PCR) verwendet werden, um Pilzgemeinschaften, die zur Denitrifikation beitragen, oder sogar die Genexpression der pilzlichen NO-Reduktase (P450nor) zu analysieren.  Die Ergebnisse sollen dazu dienen, die Pilzdenitrifikation in Modellberechnungen für N₂O-Emissionen zu berücksichtigen.

Unsere Forschungsfragen

Sind die Isotopensignaturen von N₂O von denitrifizierenden Mikroorganismengruppen allein von den Enzymen und nicht von Bedingungen im Boden abhängig?

Können die Isotopensignaturen vom N₂O und die zugehörigen Isotopeneffekte genutzt werden, um den Beitrag pilzlicher Denitrifikation an N₂O-Emissionen aus Böden abzuschätzen?

Gibt es Unterschiede zwischen den Steuerungsgrößen der Pilze und Bakterien bei der Denitrifikation?