Die Bedeutung der Rhizosphäre von Bromus mollis L. als Ort erhöhter mikrobieller Aktivität im Boden für eine mögliche Mineralisation von Xenobiotika

Aletsee, Manfred; Schuphan, Ingolf

doi:HT013598786

Die Bedeutung der Rhizosphäre von Bromus mollis L. als Ort erhöhter mikrobieller Aktivität im Boden für eine mögliche Mineralisation von Xenobiotika

Aletsee, Manfred (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Manfred Aletsee

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangIII, 120 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schuphan, Ingolf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-12-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-5021
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62168/files/Aletsee_Manfred.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Rhizosphäre (frei) ; Dekontamination (frei) ; Bromus mollis (frei) ; p-Nitrophenol (frei) ; Pyren (frei) ; Xenobiotika (frei) ; Abbau (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde in einem speziell entwickelten Versuchsaufbau der Zusammenhang zwischen der Wurzelentwicklung und dem Abbau von Xenobiotika in der Rhizosphäre von Bromus mollis L. (Poacea) untersucht. Sowohl die gleichmäßige Wurzelverzweigung (sekundäre Homorhizie) der Versuchspflanze, als auch die unter den gegebenen Versuchsbedingungen und dem vorgegebenen Versuchszeitraum ausreichend hohe Produktionsrate der Wurzelbiomasse (ca. 200 mg/ g Bodentrockenmasse innerhalb 9 Wochen) waren wichtige Voraussetzungen, um signifikante und reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. In Durchwurzelungsversuchen wurden zunächst Wurzeloberflächenzuwachs und parallel zur Wurzelentwicklung sowohl die mikrobielle Abundanz (Lebendzahlbestimmung) als auch die mikrobielle Aktivität (Substratinduzierte Respiration und Reduktaseaktivität) im Boden bzw. in der Rhizosphäre erfasst. Die parallele Messung der Parameter bei unterschiedlichen Einsaatdichten diente der Eliminierung systematischer Fehler und der statistischen Absicherung der Ergebnisse. Unabhängig von der Aussaatdichte korrelierten die mikrobiellen Parameter positiv mit dem Anstieg des Durchwurzelungsgrades bis zu einer Wurzel-Oberflächenentwicklung von W-OF = 4000 bis 5000 cm2 pro g Boden-Trockenmasse. Die Mikroorganismen-Abundanz erreichte dabei im Boden der bepflanzten Ansätzen das Dreifache (n = 16 x 10E9 x gE-1) des unbepflanzten Kontrollbodens, wogegen die Werte beider physiologischer Parameter das Anderthalbfache erreichten (Reduktaseaktivität: DMS / TM Boden x t = 600 ng / g x h bzw. Substratinduzierte Respiration: CO2 / TM Boden x t = 0,06 mg / g x h). In prinzipiell gleich aufgebauten, kontrolliert belüfteten Modellökosystemen wurde die Abbauleistung der Rhizosphäre von Bromus mollis mit Hilfe 14C-markierter Chemikalien untersucht, um eine Korrelation der Wurzelentwicklung von Bromus mollis und der Abbauleistung der Rhizosphäre bezüglich organischer Substanzen zu ermöglichen. In beiden Versuchsreihen (Durchwurzelungsversuche und Abbauversuche) wurde der gleiche „natürliche” Boden verwendet. Dieser entstammte einem lehmigen Ackerstandort. Durch die Verwendung eines Ackerbodens mit entsprechender natürlichen Bodenzusammensetzung und -struktur sowie einer natürlichen Mikroorganismen-Ausgangspopulation, sollte trotz der standardisierten Laborbedingungen eine tendenzielle Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Freilandbedingungen ermöglicht werden. Als Xenobiotika wurden zwei unterschiedlich persistente 14C-markierte Chemikalien, p-Nitrophenol und Pyren, verwendet. P-Nitrophenol repräsentiert zum Beispiel als Metabolit von Parathion exemplarisch ein Pestizid-Umwandlungsprodukt, Pyren wurde exemplarisch für die weitverbreitete Stoffgruppe der Polyaromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK's) verwendet. Die Abbauleistung der Rhizosphäre von Bromus mollis bezüglich der beiden Xenobiotika zeigte eindeutige Unterschiede: Der Abbau von p-Nitrophenol im Rhizosphären-Versuch war, im Vergleich zur unbepflanzten Kontrolle, nur unwesentlich erhöht. Dies ist auf die schnelle Abbaubarkeit von p-Nitrophenol durch Boden-Mikroorganismen zurückzuführen. Im Verlauf einer Woche - zu einem Zeitpunkt, an dem Bromus mollis kaum gekeimt war - waren 80% der applizierten Menge 14C-p-Nitrophenol bereits mineralisiert. Bei Einsatz der persistenteren Umweltchemikalie Pyren ist der Rhizosphären-Effekt dagegen deutlich zu sehen. Hier betrug die Mineralisationsrate im bepflanzten Rhizosphären-System nach sieben Wochen ca. 40% der applizierten Menge 14C-Pyren und war damit gegenüber der unbepflanzten Kontrolle um 30% erhöht. Die Korrelation der Mineralisationsrate aus den Abbauversuchen mit der Entwicklung der Reduktaseaktivität bzw. der Substratinduzierten Respiration in den Durchwurzelungs-versuchen zeigt eine direkte Proportionalität zwischen Abbauleistung und mikrobieller Aktivität in der Rhizosphäre. Die Mikroorganismen-Abundanz als Messparameter ist dagegen nicht in der Lage, die Entwicklung der Abbauleistung ausreichend wiederzugeben. Sowohl die Durchwurzelungsversuche als auch die Abbauversuche belegen, dass die Aktivitätserhöhung der Mikroorganismen ursächlich für die verstärkte Abbauleistung verantwortlich ist und indirekt von den strukturellen und physiologischen Veränderung des Wurzelsystems von Bromus mollis verursacht wird. Die Wurzeloberfläche allein ermöglicht als Messparameter zur Abbauleistung der Rhizosphäre von Bromus mollis nur tendenzielle Aussagen. Zum tiefergehenden Verständnis für die Vorgänge in der Rhizosphäre sollten bei zukünftigen Untersuchungen, neben Wurzeloberflächenmessungen, die Charakterisierung des physiologischen Zustands der Wurzel(-abschnitte) mit einbezogen werden.

In the presented study the connection between root growth and degradation of xenobiotics in the rhizosphere of Bromus mollis L. (Poacea) has been investigated with an especially assembled experiment. The regular root system (secondary homorhizie) of the test plant as well as the sufficient production rate of the root-biomass (about 200 mg/ g soil dry weight (dw) within 9 weeks) under given test conditions and given testing time have been important conditions for significant and reproducible test results. At first root surface growth and root development have been investigated in root-development-tests. Parallel to the analyse of root development the microbial abundance (measurement of total bacteria number) as well as the microbial activity (substrate induced respiration and reductase activity) in the soil and rhizosphere respectively have been registered. The parallel measurement of the parameter at different sowing densities was used to eliminate methodical errors as well as to statistically ensure the results. Independent of the sowing density the microbial parameter correlate with a rise of the density of roots up to a root-surface of 4000 to 5000 cm2 per g soil dw. The abundance of microorganisms in the planted soil reached three times the amount (n = 16 x 10E9 x gE-1) of the unplanted control whereas the rates of both physiological parameters reached one and a half times the amount (reductase activity: DMS / dw soil x t = 600 ng / g x h respectively substrate induced respiration: CO2 / dw soil x t = 0.06 mg / g x h). The degradation rate of the rhizosphere of Bromus mollis was tested by using 14C-labeled chemicals in basically same built and controlled ventilated model ecosystems. The comparison of both test series enables a correlation between root development of Bromus mollis and degradation rate of organic substances in the rhizosphere. The same kind of "natural" soil has been used in both test series (root-development-tests and degradation tests). It was taken from a loamy farmland location. By using soil with a natural composition and structure as well as a natural population of microorganisms to begin with enabled a transferability of the results towards outdoor conditions despite of the prevailing standardized laboratory conditions. With p-nitrophenol and pyrene two different persistent 14C-labeled chemicals were used as xenobiotics. P-nitrophenol as a metabolite of parathion for example represents a pesticide-transformation-product. Pyrene has been used exemplary for the widespread substance-group of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH's). The degradation rate of the rhizosphere of Bromus mollis concerning these two xenobiotics shows significant differences: Compared to the unplanted control, the degradation of p-nitrophenol in the rhizosphere-system was only slightly increased. This can be explained by the fast degradation of p-nitrophenol by non-rhizosphere microorganisms. Within the first week - at a time when Bromus mollis only just germinated - 80% of the applied amount of 14C-p-nitrophenol were already mineralised. When using the more persistent xenobiotic pyrene the rhizosphere-effect could be clearly made out. Here the rate of mineralization in the rhizosphere-system was about 40% of the applied amount of 14C-pyrene and by that 30% higher than in the unplanted control test after seven weeks. The correlation of the mineralization of the degradation tests with the development of the reductase activity and substrate induced respiration respectively in the root-development-tests shows a direct proportionality between degradation capacity and microbial activity in the rhizosphere. Compared to that the abundance of microorganisms as a measured parameter does not show the development of the degradation capacity in a sufficient way. The root-development-tests as well as the degradation tests show that the increasing activity of the microorganisms is casually connected with the increased degradation capacity and that it is indirectly caused by the structural and physiological changes in the root system of Bromus mollis. The root surface as a measured parameter allows only limited conclusions concerning the degradation capacity of the rhizosphere of Bromus mollis. To achieve a better understanding of the interactions in the rhizosphere, a characterization of the physiological condition (of parts) of the roots as well as the measuring of the root surface should be included in future experiments.

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