Umwelteinflüsse auf das Mikrobiom in landwirtschaftlich genutzten Flächen

Das Pilotprojekt Nr. 101549 "Bodenmikrobiome und wichtige Ökosystemleistungen" wurde im Rahmen des Ressortforschungsprogrammes über dafne.at mit Mitteln des Bundesministeriums für Land- und Forstwirtschaft, Regionen und Wasserwirtschaft finanziert. Erste Ergebnisse wurden bereits in der vorigen Ausgabe der Boden.Wasser.Schutz.Blätter vorgestellt (Gorfer et al. 2023). In der aktuellen Ausgabe möchten wir nun den Fokus auf die Mikrobiom-Untersuchungen richten.

Bodenbürtige Mikroorganismen stehen in einer engen Wechselwirkung mit ihrer Umwelt. Vegetation, Klima, Jahreszeit, Boden sowie Bodenbearbeitung beeinflussen die Biomasse, die Zusammensetzung und die Aktivität der Mikroorganismen, während umgekehrt Mikroorganismen Bodeneigenschaften und die Vegetation beeinflussen können. Im Pilotprojekt "Bodenmikrobiome und wichtige Ökosystemleistungen" wurden einige dieser Interaktionen näher unter die Lupe genommen.

Über lange Zeit war die Untersuchung von Mikroorganismen im Boden eine äußerst arbeitsintensive und zeitaufwändige Tätigkeit. Pilze und Bakterien mussten auf mikrobiologischen Nährmedien in Kultur gebracht werden, um dann mit mikroskopischen und biochemischen Methoden weiter charakterisiert zu werden. Auch wenn dadurch über viele Jahrzehnte ein beachtliches Wissen über das Leben im Boden aufgebaut und die wichtigsten Nährstoffkreisläufe aufgeklärt werden konnten, zeigte sich schon bald, dass durch den Zwischenschritt der Kultivierung im Labor der weitaus größte Teil der Mikroorganismen unerkannt bleibt.

Technologische Weiterentwicklungen der jüngeren Zeit erlauben es nunmehr, Zellen über ihre DNA-Sequenz zu erfassen. Mit modernen Hochdurchsatz-Technologien können Abertausende von DNA-Abschnitten parallel sequenziert werden. Über Abgleiche mit großen Datenbanken werden die Sequenzabschnitte dann verschiedenen Organismengruppen zugeordnet. Man erhält somit Informationen darüber, welche Pilze, Bakterien und Archaeen in einer Probe vorhanden sind - unabhängig von deren Kultivierung im Labor. Damit haben sich neue Dimensionen in der Mikrobiomforschung eröffnet, um die komplexen Zusammenhänge besser verstehen zu können.

Im Rahmen des Pilotprojektes wurden vier Standorte in Ober- und Niederösterreich näher untersucht: Nußbach und Bachloh (OÖ) sowie Rafing und Bullendorf (NÖ). Auf den vier ausgewählten Äckern wurde jeweils ein Teil der Flächen nach der Ernte im Jahr 2021 unbebaut (brach) belassen, während auf dem Rest standortübliche Zwischenfruchtmischungen angebaut wurden. Im Frühling 2022 wurde dann auf allen Flächen Mais angebaut. Im März, Juli und September 2022 wurden Proben für die Mikrobiomanalysen entnommen.

Die dominanten Pilze in den meisten Bodenproben gehören zum Phylum der Ascomycota (Stamm der Schlauchpilze) mit vielen bekannten Gattungen wie Cladosporium, Fusarium, Trichoderma oder Chaetomium (siehe Abbildung 1). Des Weiteren wurden auch immer wieder sogenannte koprophile Pilze gefunden. Dabei handelt es sich um Pilze, die im Dung von Pflanzenfressern gedeihen. Die Dominanz der Ascomycota in Ackerböden ist schon lange bekannt. Lange bevor DNA-Sequenzierungen zur Methode der Wahl wurden, konnten Klaus H. Domsch und Walter Gams 1970 einen bis heute gültigen Überblick zu häufigen Pilzen in Ackerböden geben. Derlei Ergebnisse konnten in zahlreichen späteren Untersuchungen mit DNA-basierten Methoden bestätigt werden (z.B. Klaubauf et al. 2010). Neben Pilzen aus bekannten Gruppen wie Ascomycota und Basidiomycota (Brand- und Ständerpilze) konnten in den Proben aus Ober- und Niederösterreich auch viele Sequenzen erhalten werden, die sich keinem bekannten Phylum zuordnen ließen.

Bei Bakterien ist der Anteil an nur schlecht beschriebenen Gattungen üblicherweise viel höher als bei den Pilzen. Neben bekannten Vertretern wie den Proteobacteria (z.B. Pseudomonas), Actinobacteriota (z.B. Streptomyces) oder Firmicutes (z.B. Bacillus) sind vor allem weniger bekannte Gruppen wie die Acidobacteriota oder Planctomycetota häufig zu finden. Die Entdeckung und Beschreibung dieser Phyla wurden erst mithilfe der DNA-basierten Methoden möglich.

Die Gemeinschaften der Pilze und Bakterien in den Böden der vier Standorte unterscheiden sich voneinander, wobei die Gemeinschaften in den beiden niederösterreichischen Böden einander sehr ähnlich sind. Bodenfaktoren, die einen starken Einfluss auf die mikrobiellen Gemeinschaften haben, sind der pH-Wert und der Humusgehalt. Die beiden oberösterreichischen Standorte haben einen etwas niedrigeren pH-Wert (OÖ: pH = 6,7 bis 7,3; NÖ: pH = 7,6) und einen etwas höheren Humusgehalt (OÖ: 2,9 - 4,1% Humus; NÖ: 2,4 - 2,9% Humus) als die niederösterreichischen Standorte.

Bei den Probenahmen im Juli und September 2022 wurden nicht nur Bodenproben entnommen, es wurden zusätzlich auch Rhizosphäre und Maiswurzeln beprobt. Die Rhizosphäre ist der Boden in der direkten Umgebung der Pflanzenwurzel (vergleiche Abbildung 2). Durch Wurzelexudate und abgestorbenes Wurzelmaterial ist dieser Bereich besonders gut mit Nährstoffen versorgt, weswegen es auch zu einer Anreicherung von Mikroorganismen in diesem Bereich kommt. Selbst das Innere der Wurzel ist von Mikroorganismen besiedelt.

In den vier Ackerbauflächen in Ober- und Niederösterreich konnte beobachtet werden, dass Archaeen besonders häufig in der Rhizosphäre zu finden sind, während die Wurzel kaum von Archaeen besiedelt wird (vergleiche Abbildung 3). Archaeen werden wie die Bakterien den Prokaryoten zugerechnet. Im Gesamtboden der untersuchten Flächen machen Archaeen meist unter 2% der Prokaryoten (einzellige Mikroorganismen) aus, in der Rhizosphäre dahingegen deutlich über 5%. In der Maiswurzel steigt der relative Anteil selten über 1%. Der überwiegende Anteil der Archaeen konnte der Familie Nitrososphaeraceae zugeordnet werden. Hierbei handelt es sich um sogenannte Ammonia-oxidierende Archaeen (AOA), die ähnlich den Ammonia-oxidierenden Bakterien (AOB) den ersten Schritt der Nitrifizierung – also die Umwandlung von Ammonium in Nitrit - vollziehen können. Im zweiten Schritt wird das Nitrit in Nitrat umgewandelt, das aufgrund seiner höheren Mobilität im Boden bevorzugt von den Pflanzenwurzeln aufgenommen wird. AOA sind im Gegensatz zu den AOB besonders gut an niedrige Ammonium-Konzentrationen angepasst.

Bei den Bakterien kam es in den oberösterreichischen Flächen zu einer starken Anreicherung von Bakterien aus der Gattung Xiphinematobacter in der Rhizosphäre. Diese Bakterien konnten bislang nicht in Reinkultur gebracht werden, es handelt sich um obligate Symbionten von pflanzenparasitischen Nematoden aus der Gattung Xiphinema. Die symbiontischen Bakterien besiedeln den Verdauungstrakt und unterstützen die Nematoden vermutlich bei der Versorgung mit essenziellen Aminosäuren (Brown et al., 2018). Nematoden der Gattung Xiphinema können zwar eine Vielzahl unterschiedlicher Pflanzen befallen, doch sind keine Schädigungen von Maiskulturen bekannt.

In den Maiswurzeln von einigen Proben der oberösterreichischen Flächen wurden besonders häufig Pilze aus der Gattung Olpidiaster gefunden. Bei manchen Kulturen können diese Pilze Wurzelschäden hervorrufen, oftmals verlaufen die Infektionen jedoch ohne Symptome.

Glomeromycota-Pilze, die mit den Wurzeln vieler Pflanzen eine sogenannte Arbuskuläre Mykorrhiza ausbilden können - wurden auf allen Flächen nur sehr selten gefunden. Geringe relative Häufigkeiten der Glomeromycota wurden bereits vielfach beobachtet, auch wenn die Vegetation aus potenziellen Wirtspflanzen besteht. Zur besseren Charakterisierung wird daher meist auf alternative Methoden zurückgegriffen.

In zahlreichen Untersuchungen konnte bereits festgestellt werden, dass der Pflanzenbewuchs von großer Bedeutung für das Mikrobiom im Boden ist. Der Einfluss der Vegetation auf die mikrobiellen Gemeinschaften konnte jedoch im Rahmen des Pilotprojektes nur in sehr geringem Maße studiert werden. Der Vergleich zwischen den beiden Varianten der Zwischenbegrünung zeigte im Bodenmikrobiom kaum eindeutige Unterschiede.

Die Hauptkultur war auf allen Flächen Mais. Während die mikrobiellen Gemeinschaften im Boden und auch in der Rhizosphäre deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Standorten zeigen, sind diese Unterschiede bei den Wurzeln schon sehr viel geringer. Das Mikrobiom in den Wurzeln wird also zu einem überwiegenden Teil von der Pflanze beeinflusst und nur in geringerem Maße vom umgebenden Boden.

Die Untersuchung von Klimafaktoren war nicht vorrangiges Ziel des Pilotprojektes. Die Gruppierung der mikrobiellen Gemeinschaften in den vier Ackerböden nach Bundesländern könnte jedoch einen Hinweis auf Klimafaktoren liefern. In wichtigen Bodenparametern (pH, Humusgehalt, Textur) waren sich alle vier Standorte ähnlich, die Niederschlagsmengen im Weinviertel sind jedoch weit geringer als an den beiden oberösterreichischen Standorten.

Jahreszeitliche Änderungen im Mikrobiom konnten dahingegen sehr gut beobachtet werden. So waren die Archaeen vor der Aussaat (März 2022) nur in sehr geringem Maße zu finden, während sie zu späteren Zeitpunkten in den relativen Häufigkeiten deutlich zunahmen. Wie an voriger Stelle bereits hervorgehoben, handelt es sich bei den hier gefundenen Archaeen zum überwiegenden Teil um Nitrifizierer. Umgekehrt nehmen die Acidobacteriota in ihrer relativen Häufigkeit vom März bis zum September auf allen vier Flächen ab. Bakterien aus diesem Phylum lassen sich nur schwer kultivieren, kommen in vielen Böden jedoch sehr häufig vor. Wie der Name vermuten lässt, bevorzugen viele Vertreter dieses Phylums saure Böden, Acidobacteriota werden jedoch in allen Böden gefunden - auch bei neutralen oder leicht alkalischen pH-Werten. Soweit bekannt, sind alle Vertreter aerob und oligotroph, was bedeutet, dass sie besonders gut mit niedrigen Nährstoffangeboten umgehen können.

Die detaillierten Untersuchungen zum Mikrobiom in vier Maisanbauflächen in Ober- und Niederösterreich haben einige interessante Ergebnisse gebracht. So ist zum Beispiel die spezielle Förderung Ammonia-oxidierender Archaea in der Rhizosphäre in anderen Studien bislang selten beobachtet worden. Eine einmalige Änderung der Zwischenbegrünung wirkt sich offensichtlich kaum auf die mikrobiellen Gemeinschaften im Boden aus. Aus anderen Untersuchungen ist jedoch bekannt, dass langfristige Änderungen in der Bewirtschaftung sehr wohl einen Einfluss auf das Mikrobiom im Boden haben. Viele hier beschriebene Effekte gelten auch auf anderen Böden sowie bei anderen Kulturen. Zusätzlich gibt es jedoch eine Vielzahl an Mikroorganismen, die speziell an gewisse Böden sowie gewisse Pflanzen angepasst sind.

Brown, A.M.W., 2018. Endosymbionts of plant-parasitic nematodes. Annual Review of Phytopathology 56: 225-242.

Domsch, K.H., Gams, W., 1970. Pilze aus Agrarböden. Gustav Fischer Verlag, Stuttgart.

Gorfer, M., Ringwald, T., Bandian, D., Schwaiger, E., Birli, B., Färber, B., Huber, S., Tramberend, P., Hölzl, F., Springer, J., Sessitsch, A., 2023. Das Bodenmikrobiom in der Landwirtschaft. Boden.Wasser.Schutz.Blatt 2023-1: 4-6.

Klaubauf, S., Inselsbacher, E., Zechmeister-Boltenstern, S., Wanek, W., Gottsberger, R., Strauss, J., Gorfer, M., 2010. Molecular diversity of fungal communities in agricultural soils from Lower Austria. Fungal Diversity 44: 65-75.

AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Markus Gorfer, Francisco Cerqueira, Theresa Ringwald, Dragana Bandian, Angela Sessitsch

Umweltbundesamt GmbH
Elisabeth Schwaiger, Barbara Birli, Barbara Färber, Sigbert Huber, Peter Tramberend

Landwirtschaftskammer Oberösterreich
Franz Hölzl

Landwirtschaftskammer NÖ
Josef Springer