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1993 | Book | 2. edition

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Bodenbiologische Arbeitsmethoden

Editors: Prof. Dr. Franz Schinner, Dr. Richard Öhlinger, Dr. Ellen Kandeler, Dr. Rosa Margesin

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Book Series : Springer Labor Manual

Included in: Professional Book Archive

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About this book

Die Messung biologischer Parameter von Böden erlaubt eine rasche Beurteilung der Auswirkung chemischer und physikalischer Einflüsse auf den Boden. Dieses Buch stellt eine Vielzahl von enzymatischen Methoden vor, die zur Erfassung von Aktivitäten aus dem Kohlenstoff-, Stickstoff-, Phosphor- und Schwefelkreislauf geeignet sind. Ebenso wird die Bestimmung der Biomasse von Mikroorganismen, Algen und Tieren des Bodens beschrieben. Das Methodenspektrum wurde gegenüber der ersten Auflage um einen zoologischen Teil und zahlreiche aktuelle mikrobiologische Methoden erweitert. Bei den Arbeitsvorschriften wurde besonders auf eine verständliche und vollständige Beschreibung der experimentellen Abläufe geachtet.

Table of Contents

Frontmatter

Bodenmikrobiologische Methoden

Frontmatter
Einleitung
Zusammenfassung
Der Abbau pflanzlicher und tierischer Substanz, die Freisetzung und Bindung von Nähr- und Spurenstoffen gehört zu den wichtigsten Aufgaben der Bodenorganismen. Während den Bodentieren eine wichtige Rolle bei der Bodenlockerung, der Zerkleinerung und Durchmischung der Streu zukommt, liegt die Bedeutung der Mikroorganismen im enzymatischen Abbau der komplexen organischen Substanz zu Nährstoffen und in der Freisetzung von Nähr- und Spurenstoffen aus den mineralischen Bodenbestandteilen. Zu den Bodenmikroorganismen gehören neben Bakterien, Pilzen und Algen auch die Mykorrhizapilze, die zur besseren Entwicklung der Pflanzen beitragen. Der Boden ist aber auch Lebensraum vieler pflanzen- und tierpathogener Pilze und Bakterien. Die empfindliche Reaktion der Bodenmikroflora auf äußere Einflüsse führt einerseits zu einer raschen “Anpassung” an die neuen Verhältnisse, aber auch zu einer geänderten Reaktion gegenüber der Pflanze.
F. Schinner
Bodenprobenahme und Probenvorbereitung
Zusammenfassung
Jeder mechanische Eingriff im Boden verursacht Veränderungen des Bodenlebens und dessen biologischer Aktivität. Durch die Probenahme wird ein Teil des Bodens aus seinem natürlichen Verband entnommen. Wichtige biologische und chemisch-physikalische Vorgänge werden unterbrochen. Das Ausmaß einer Aktivitätsänderung hängt von der Größe der Bodenprobe und der nachfolgenden Behandlung der Probe ab (Siebung, Trocknung oder Kühlen im naturfeuchten Zustand). Eine luftgetrocknete und wieder befeuchtete Bodenprobe erreicht meist nicht mehr ihre ursprüngliche Aktivität. Aktivitätsbestimmungen werden folglich an naturfeuchtem Bodenmaterial vorgenommen. Die Bodenproben sind von der Probenahme bis zur Analyse vor Austrocknung zu schützen.
R. Öhlinger
Mikrobielle Biomasse
Zusammenfassung
Mikroorganismen kommen im Boden in großer Vielfalt und hoher Dichte vor. Bakterien und Pilze stellen die Masse der Mikroorganismen, Protozoen und Algen sind meist in geringer Anzahl vorhanden. Der Anteil des Biomasse-Kohlenstoffes am organischen Kohlenstoff eines Bodens wird mit 1–3% angegeben (Sparling 1985). Vergleichende Biomasseuntersuchungen wirtschaftlich genutzter Böden in Bayern zeigten, daß der Anteil der stoffwechselaktiven mikrobiellen Biomasse an der organischen Substanz des Bodens in Ackerböden 1–5% und in Wiesenböden 2–8% beträgt (Beck et al. 1992). Aufgrund von Biomassebestimmungen mittels mathematischer Analyse von Respirationskurven sollen sich lediglich 2–30% der gesamten Biomasse in einem aktiven Zustand befinden (Van de Werf und Verstraete 1987a, 1987b). Die Leistungen der Bodenmikroflora sind für die Bodenfruchtbarkeit und das Funktionieren von Ökosystemen vielfältig und entscheidend:
  • Abbauleistungen: Mineralisation pflanzlicher, tierischer, mikrobieller und organisch-synthetischer Substanzen, Mobilisierung anorganischer Nährund Spurenstoffe
  • Syntheseleistungen: Aufbau mikrobieller Biomasse, Synthese von Huminstoffen und bodenbindenden Substanzen, Immobilisierung von Nährstoffen
G. Trolldenier, M. Schloter, W. Bode, A. Hartmann, H. Rössner, R. Kuhnert-Finkernagel, R. Öhlinger, T. Beck, A. Baumgarten, B. Heilmann
Kohlenstoffkreislauf
Zusammenfassung
Die Mineralisation der Streu ist Voraussetzung für den Kreislauf von Nährund Spurenstoffen in der Natur. Würde dieser Abbau, bei dem als Nettoprodukt CO2 entsteht, nicht erfolgen, wäre der CO2-Vorrat der Atmosphäre in wenigen Jahrzehnten erschöpft und pflanzliches Wachstum würde erliegen. Der vorwiegend durch Mikroorganismen und Bodenenzyme katalysierte Abbau pflanzlicher und tierischer Streu garantiert die Nährstoffversorgung von Bodenorganismen und Pflanzen. Die Mineralisation wird durch feuchte und warme Klimabedingungen gefördert, durch trockene und kühle Bedingungen gehemmt. Der Eintrag von Nährstoffen, vor allem von Stickstoff, bewirkt eine Beschleunigung des Streuabbaues, Biozide hemmen diesen Prozeß. Nicht vollständig abgebaute Streu verbleibt je nach Klima- und Substratbedingungen als mehr oder weniger leicht verfügbares Nährstoffreservoir im Boden.
F. Schinner, R. Öhlinger, T. Beck, B. Heilmann, F. Beese, M. H. Gerzabek, O. H. Danneberg, E. Kandeler, W. von Mersi, W. Strobl, M. Traunmüller, H. Rössner, R. Kuhnert-Finkernagel
Stickstoffkreislauf
Zusammenfassung
Zahlreiche Mikroorganismen sind in der Lage, molekularen Stickstoff aus der Atmosphäre als Stickstoffquelle zu nutzen. Neben Bakterien der Gattungen Clostridium und Azotobacter wurden in den letzten Jahrzehnten vor allem anoxygene phototrophe Bakterien und viele Cyanobakterien, fakultative Anaerobier, autotrophe Bakterien, methylotrophe Bakterien, Desulfurikanten und Methanbildner mit der Fähigkeit, Stickstoff zu binden, entdeckt (Schlegel 1992).
S. Zechmeister-Boltenstern, E. Kandeler, G. Bauernfeind, R. Öhlinger
Phosphorkreislauf
Zusammenfassung
Auf die Bedeutung von Phosphatasen für die Pflanzenernährung wurde vielfach hingewiesen (Cosgrove 1967, Ramirez-Martinez 1968, Halstead und McKercher 1975, Hayman 1975, Kiss et al. 1975, Cosgrove 1977, Dalal 1977, Speir und Ross 1978, Dick und Tabatabai 1987). In den meisten Böden ist der organisch gebundene P-Anteil höher als der anorganische. Unter den organischen Phosphorsäureestern bildet Phytansäure bzw. Phytin einen Hauptanteil im Boden (Halstead und McKercher 1975, Speir und Ross 1978). Die Aufnahme von Phosphor in Pflanzen setzt eine Mineralisierung der organischen P-Komponente durch Phosphatasen zu Orthophosphat voraus (Speir und Ross 1978, Malcolm 1983). Phosphatasen sind induzierbare Enzyme, die vor allem bei geringer Verfügbarkeit von Phosphat verstärkt gebildet werden. Phosphatasen können sowohl aus Pflanzenwurzeln stammen als auch mikrobiellen Ursprungs sein. Im Boden dominieren mikrobielle Phosphatasen.
R. Öhlinger, R. Margesin, E. Kandeler
Schwefelkreislauf
Zusammenfassung
Sulfatasen sind bei der Mineralisierung schwefelhaltiger Verbindungen im Boden von Bedeutung. Sie hydrolysieren organische Sulfate und stellen dadurch Schwefel in pflanzenverfügbarer Form bereit (Freney et al. 1975). Sulfatasen sind größtenteils mikrobiellen Urspungs. Sie liegen im Boden auch als Exoenzyme vor und weisen eine enge Beziehung zur organischen Substanz auf. In der Natur kommen verschiedene Sulfatasetypen vor (Tabatabai 1982): Arylsulfatasen, Alkylsulfatasen, Steroidsulfatasen, Glucosesulfatasen, Chon-drosulfatasen und Myrosulfatasen. Da die Arylsulfatase als erste unter den erwähnten Gruppen entdeckt wurde, wurde ihr die größere Aufmerksamkeit zugewandt. Sie katalysiert die Hydrolyse eines Arylsulfatanions durch Spaltung der O-S-Bindung. Im Boden wurde die Arylsulfatase erstmals von Tabatabai und Bremner (1970) bestimmt. Methodische und angewandte Untersuchungen erfolgten u.a. von Speir und Ross (1975, 1978), Speir (1977), Al Khafaji und Tabatabai (1979), Speir et al. (1980).
W. Strobl, M. Traunmüller, E. Kandeler
Intrazellulärer Stoffwechsel
Zusammenfassung
Die Adenin-Nukleotide AMP (Adenosin-5′-Monophosphate ADP (Adenose-5′-Diphosphat) und insbesondere das ATP (Adenosin-5′-Triphosphat) sind universelle Lager- und Transportformen zur Kopplung energieliefernder und energieverbrauchender Reaktionen in biologischen Prozessen. Die Oxidationen reduzierter Verbindungen in der Atmungskette bzw. in der Substratkettenphosphorylierung liefern die Energie für die Phosphorylierung von AMP bzw. ADP zu ATP. Das Verhältnis dieser drei Adenylate zueinander ist ein Maßstab für den physiologischen und metabolischen Status von Zellen.
B. Albers, R. Rackwitz, M. Raubuch, L. Zelles, R. Margesin, F. Schinner, R. Öhlinger, W. von Mersi
Ektomykorrhizen
Zusammenfassung
Unter “Mykorrhiza” versteht man die symbiontische Wechselbeziehung zwischen Pflanzenwurzeln und Pilzen. Je nach Art und Intensität des Kontaktes beider Partner unterscheidet man im wesentlichen zwischen ekto- und endotrophen Mykorrhizen. Eine detaillierte Übersicht gibt Harley (1991).
R. Pöder
Bodenalgen
Zusammenfassung
Neben Bakterien und Pilzen stellen Bodenalgen (eukaryontische Algen und terrestrische Cyanobakterien) einen wesentlichen Bestandteil der Biomasse des Bodens dar, der in gemäßigten Zonen mit 150–500 kg Frischgewicht pro Hektar angenommen wird (Shtina 1974). Bodenalgen produzieren organische Substanz, verkitten Bodenpartikel, beeinflussen das Bakterien- und Pilzwachstum und sind Nahrung vieler tierischer Bodenorganismen.
G. Gärtner
Ökophysiologische Parameter
Zusammenfassung
Neben einer Quantifizierung der mikrobiellen Biomasse (und des damit verbundenen C- und Nährstoffpools) gewinnt zunehmend die Charakterisierung des physiologischen Zustandes der Mikroorganismengesellschaft an Bedeutung. Der physiologische Zustand ist determiniert durch den Ernährungsstatus sowie durch Faktoren wie Bodentyp, Klima, Schadstoffeinflüsse etc. Die unten angeführten Methoden sind ausführlich in den angegebenen Originalarbeiten und bei Martens (1991) beschrieben.
H. Insam, R. Öhlinger

Bodenzoologische Methoden

Frontmatter
Einleitung
Zusammenfassung
Die Tierwelt des Bodens ist sehr vielfältig und reicht von Einzellern (Protozoa) über Fadenwürmer (Nematoda), Gliederfüßer (Arthropoda) verschiedenster Größe und Lebensformen bis zu Regenwürmern (Lumbricidae). In Wechselwirkung mit den Mikroorganismen übernehmen die Tiere in erster Linie die Rolle der Zerkleinerung, Impfung und chemischen Veränderung des pflanzlichen Bestandesabfalls. Grabende und wühlende Tiere sorgen für eine Erhöhung des Porenvolumens, eine bessere Durchlüftung und Durchmischung. Bei dieser funktionellen Betrachtungsweise spielen die Körpergröße, der Lebensformtyp und die Ernährungsweise eines Individuums eine größere Rolle als dessen systematische Zugehörigkeit. Aufgrund der Körpergröße ist eine Einteilung in Mikro-, Meso- und Makrofauna möglich. Bezogen auf das Lückensystem im Boden kann die Mikrofauna (z.B. Testacea, Ciliata, Nematoda) Poren mit einem Durchmesser von weniger als 100 μm nutzen; der Lebensraum der Mesofauna (Acari, Collembola, Enchytraeidae) sind die weiten Grobporen (< 2 mm); die Makrofauna (2–20 mm) nutzt vorhandene Risse und Wurzelkanäle, trägt aber auch durch ihre Wühl- und Grabtätigkeit wesentlich zur Durchporung des Bodens bei. Die Klassifikation nach dem Lebensformtyp (epedaphisch, hemiedaphisch und euedaphisch) beruht in erster Linie auf morphologischen und ökophysiologischen Unterschieden je nach dem Vorkommen der Tiere in bestimmten Bodentiefen.
E. Meyer
Mikrofauna
Zusammenfassung
Zur Mikrofauna gehören eukaryotische Einzeller (Protozoen; nackte und beschalte Wechseltiere, Geißeltiere, Wimpertiere) und kleine Vielzeller (Metazoen; Rädertiere, Bärtiere, Fadenwürmer), also Organismen, die meist kleiner als 2 mm sind und mikroskopisch untersucht werden müssen.
W. Foissner
Mesofauna
Zusammenfassung
Klein-Oligochaeten von hoher bodenbiologischer Bedeutung. Substratfresser: Pflanzenreste, Pilze, Mineralteilchen, Kotballen anderer Bodentiere. Sehr anpassungsfähig, vom Mineralboden bis in die Laubstreu, vielfach aggregiert, mit teilweise hoher, jedoch stark saisondynamischer Besiedlungsdichte und Biomasse (in Nadelwäldern bis ca. 105 Individuen (Ind.) ∙ m-2 = ca. 2,5 g Frischmasse (FM) ∙ m-2). Im Vergleich zu Regenwürmern größere Stoffwechselleistung bei gleicher Masse. Vorkommen in fast allen Bodenarten mit ausreichender Feuchtigkeit.
E. Meyer
Makrofauna
Zusammenfassung
Mittelgroße bis große Oligochaeten von herausragender Bedeutung für die Zersetzung (Substratfresser), entscheidende Förderung der Bodenfruchtbarkeit durch hohe Aktivität (Verlagerung organischen Materials in tiefere Bodenschichten, Durchlüftung, Verbreitung von Mikroben). Verteilung stark abhängig von Trockenheit, Bodenart, Vegetation (Zersetzbarkeit der Streu), pH-Wert. Ökologische Typen: Streubewohner (epigäisch), Mineralbodenbewohner (endogäisch), Tiefgräber (anesisch) (Bouché 1977). Aufgrund der Größe hoher Biomasseanteil (bis 120 g FM ∙ m-2) in lehmigen Wiesen, in flachgründigen und in stark sauren Böden gering vertreten oder fehlend.
E. Meyer
Einfluß von Bodenorganismen auf Stoffumsetzungen
Zusammenfassung
Zur Untersuchung dieser Fragestellungen werden Lysimeter-, Mikro- oder Mesokosmos-Anlagen eingesetzt (Anderson und Ineson 1982, Anderson und Ingraham 1989, Setälä und Huhta 1990, Berg und Verhoef 1991).
E. Meyer

Physikalische und chemische Methoden

Frontmatter
Physikalische und chemische Methoden
Zusammenfassung
Das Bodenmaterial wird bei 105°C getrocknet, der Trockensubstanzgehalt/Wassergehalt wird nach Differenzwägung bestimmt.
R. Öhlinger, E. Kandeler, H. Insam
Backmatter
Metadata
Title
Bodenbiologische Arbeitsmethoden
Editors
Prof. Dr. Franz Schinner
Dr. Richard Öhlinger
Dr. Ellen Kandeler
Dr. Rosa Margesin
Copyright Year
1993
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-77936-7
Print ISBN
978-3-642-77937-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-77936-7