Der mikrobielle Umsatz von Ernterückständen in einem landwirtschaftlich genutzten Boden und dessen Beeinflussung durch ausgewählte Xenobiotika

Bulawa, Beata; Schäffer, Andreas

doi:980

Der mikrobielle Umsatz von Ernterückständen in einem landwirtschaftlich genutzten Boden und dessen Beeinflussung durch ausgewählte Xenobiotika

Bulawa, Beata (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Beata Bulawa

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangXVII, 164 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-10-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9804
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52216/files/Bulawa_Beata.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Landwirtschaftliche Nutzfläche (Genormte SW) ; Ernterückstand (Genormte SW) ; Mikrobieller Abbau (Genormte SW) ; Umsatz <Biochemie> (Genormte SW) ; Xenobiotikum (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Mikroorganismen in landwirtschaftlich genutzten Böden sorgen durch ihre Beteiligung an vielen Prozessen im Boden für den Erhalt der Bodenfruchtbarkeit. Durch Abbau organischen Materials werden pflanzenverfügbare Nährstoffe freigesetzt, natürliche Stoffkreisläufe erhalten und Huminstoffe gebildet. Diese Prozesse können durch Bodenbearbeitung, Düngung sowie Umweltchemikalien beeinträchtigt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde (im Rahmen des HGF-Strategiefondprojekts „Bodenfunktionen”) die Wirkung von unterschiedlichen Wirkstoffkonzentrationen des Herbizids Benazolin und eines PAK-Vertreters Benzo[a]pyren auf die am Umsatz von Ernterückständen beteiligten Mikroorganismen in drei nacheinander folgenden Experimenten analysiert. Die Versuchsansätze wurden in typischer Parabraunerde durchgeführt. Als Ernterückstand wurde teilweise 14C-markiertes Maisstroh eingesetzt. Neben der Mineralisierungsrate von 14C-markiertem Maisstroh wurde die mikrobielle Aktivität mittels DMSO-Reduktase-Raten und die pilzliche Biomasse mittels Ergosterolgehalte im Boden untersucht. Zusätzlich wurde die mikrobielle Struktur mittels denaturierender Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE) und Sequenzanalysen charakterisiert. Auf Grund der durchgeführten Experimente hat sich folgendes ergeben: Die Applikation von Benazolin hat eine konzentratiosabhängige Wirkung auf die Mineralisierung von Maisstroh und die DMSO-Reduktase-Raten hervorgerufen. Bei der höchsten Konzentration von Benazolin (50 und 200 mg kg1) wurden eine Verminderung der Maisstroh-Mineralisierung und eine Verzögerung des Abbaus innerhalb der ersten Versuchstage festgestellt. Im Gegensatz dazu stimulierten die zwei übrigen Konzentrationen (1 und 10 mg kg-1) die 14CO2-Freisetzung. Die aktivsten mikrobiellen Gemeinschaften wurden in den Versuchsansätzen mit 1 und 10 mg kg-1 Benazolin beobachtet. Benzo[a]pyren in den Konzentrationen von 50 und 200 mg kg-1 stimulierte im Gegensatz zu Benazolin den Umsatz von Pflanzenmaterial. In den Versuchsansätzen mit der höchsten Anwendungsmenge wurde auch die höchste mikrobielle Aktivität festgestellt. Es wurde eine konzentrationsabhängige Abnahme der pilzlichen Biomasse unter Einfluss der beiden Xenobiotika festgestellt. Die stärkste Abnahme der Biomasse wurde in den Böden mit höchsten Konzentrationen von Benazolin und Benzo[a]pyren gegen Versuchsende nach 150 Tagen beobachtet. Dies hatte jedoch keine Wirkung auf die Struktur der Pilzgemeinschaften, die in allen Versuchsansätzen mit Maisstroh bis zum Versuchsende vergleichbar waren. Im Gegensatz dazu deutete die DGGE-Analyse der 16S rDNA auf einen Einfluss der Xenobiotika bei hohen Konzentrationen auf die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaften hin. In den DGGE-Bandenmustern wurde nach Benazolin-Behandlung die Bandenzahl reduziert und nach Benzo[a]pyren-Applikation traten neue Banden auf. Einzelne DGGE-Banden aus den Versuchsansätze mit 200 mg kg-1 Benazolin bzw. Benzo[a]pyren wurden sequenziert und phylogenetisch zugeordnet. Nur einige davon zeigten eine enge Verwandtschaft mit Organismen, die häufig in Böden mit organischer Belastung anthropogener Herkunft auftreten. Die für alle Versuchsansätze mit Maisstroh repräsentativen pilzlichen 18S rDNA-Fragmente wurden vor allem den Lignin- und Cellulose-Abbauer zugeordnet. Aus den durchgeführten Experimenten lässt sich schließen, dass die eingesetzten Xenobiotika nur bei extrem hohen Anwendungsmengen in der Lage waren, den Umsatz des eingesetzten Maisstrohs zu beeinflussen. Die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften wurde nur bei den höchsten Anwendungsmengen verändert. Insgesamt betrachtet kann die Gefährdung des Umsatzes von Ernterückständen und der daran beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften durch die eingesetzten Xenobiotika als gering eingestuft werden.

Microorganisms in agricultural soils are responsible for maintaining soil fertility by participating in many different turnover processes. Along with the degradation of organic matter, humification takes place, plant-available nutrients are released, and the naturally occuring nutrient-cycles are preserved. Cultivation, fertilization, and environmental chemicals may affect the microbial communities and impair these processes. In the thesis presented, the effect of different active substance concentrations of the herbicide Benazolin and the PAH representative Benzo[a]pyrene on microorganisms involved in the turnover of crop residues was investigated in three successive experiments. The experiments were performed as part of the HGF (Helmholtz Association of National Research Centres) project soil functions. In microcosm studies 14C-labelled maize straw was incorportated into typical orthic luvisol to simulate the degradation of crop residues in agricultural soils. Apart from radio-analytical determination of 14C-mineralization rates, microbial activity was assessed by means of DMSO reductase-rates. Fungal biomass was analyzed by means of soil ergosterol contents. Additionally the microbial community structure was characterized by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and sequence analyses of 18S rDNA fragments. The experimental results can be summarized as following: Application of Benazolin had a concentration-depended effect on the mineralization of maize straw and on the microbial activity. During the first days after application of the highest applied concentrations of Benazolin (50 and 200 mg kg-1), mineralization of maize straw was reduced. At the same time the lower concentrations of applied Benazolin (1 and 10 mg kg-1) stimulated the 14CO2-releases and highest microbial activities were observed in these treatments. In contrast to the inhibiting effect of high amounts of Benazolin, Benzo[a]pyrene stimulated the turnover of plant material in the concentrations of 50 and 200 mg kg-1. In these treatments also the highest microbial activity was detected. Towards the end of the incubation time of 150 days both xenobiotics induced a concentration-dependent increase of the fungal biomass with the strongest increase in the soils with highest concentrations of Benazolin and Benzo[a]pyrene. However, this had no effect on the structure of the fungal communities, which were similar in all soils treated with maize straw. The DGGE analysis of the 16S rDNA indicated an influence of high concentrations of the applied xenobiotics on the composition of the bacterial communities. Accordingly, Benazolin treatment resulted in a decrease of the amount of bands in the DGGE gel and after application of Benzo[a]pyrene new bands appeared. From gels with amplified DNA from Benazolin and Benzo[a]pyrene treated soils (200 mg kg-1) individual DGGE bands were excised. The DNA from those bands was cloned, sequenced and phylogenetically classified. Only some of these sequences were related to organisms frequently occurring in contaminated soils with organic pollutants. The fungal 18S rDNA fragments, which were representative for all treatments with maize straw, were related to fungi known to degrade lignin and cellulose compounds. The results reveal that the xenobiotics a analyzed are only able to affect the turnover of the maize straw if they are applied at extremely high concentrations. The same is true for the microbial community composition, which was only changed in treatments which received the highest amounts of Benazolin or Benzo[a]pyrene. Overall the possible impact of the applied xenobiotics on the turnover of crop residues and the microbial communities involved can be considered small.

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