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1. Wie verändert sich das Monomermuster von Cutin und - GWDG

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Jun.-Prof. Sandra Spielvogel
spielvogel@uni-koblenz.de
1. Wie verändert sich das Monomermuster von Cutin und Suberin aus
Kobresia pygmaeaim Laufe des Abbaus.
Das Tibetische Hochland ist durch weit verbreitete alpine Weideflächen charakterisiert. Insbesondere
die Kobresia pygmaea-dominierten Grasländer sind dabei an den Beweidungsdruck durch Yaks sehr gut
angepasst. Kobresia pygmaea bildet einen ausgeprägten Wurzelfilz aus, welcher den Boden vor
Degradation schützt. Allerdings führen derzeit Siedlungsprogramme zu Ungleichheiten in der
Beweidungsintensität, mit Überweidung in der Nähe der Dörfer und abnehmenden Beweidungsdruck
abseits der Ortschaften. Dies hat Veränderungen der floristischen Gemeinschaft zur Folge, welche
ihrerseits Menge und Eintragspfad (oberirdische Streu versus Wurzelstreu) der organischen Substanz
in den Boden beeinflussen. Modifikationen in Menge und Herkunft der Kohlenstoffallokation in den
Boden können z.B. mittels Isotopenmarkierungs-experimenten erfasst werden.
Zäunungs- und Beweidungsausschlussexperiment in Xinghai (Fotos:G.Guggenberger, Leibniz-Universität Hannover)
Eine alternative Methode bieten Biomarker bzw. Biomarkermuster an, welche spezifisch für
verschiedene Pflanzen bzw. Pflanzenteile (z.B. Spross versus Wurzel) sind. Vorangegangene Arbeiten
haben gezeigt, dass Cutin- und Suberin-Monomermuster aus Wurzel- und Sprossmaterial geeignet sind,
den Beitrag oberirdischer vs. unterirdischer Biomasse zur organischen Bodensubstanz in Abhängigkeit
der Beweidung abzuschätzen.
Stratifizierte Entnahme von Bodenproben (Foto: G.Guggenberger, Leibniz-Universität Hannover)
Die Verwendung
von
Biomarkermustern
zur
Rekonstruktion des Beitrages
oberirdischer
vs.
unterirdischer Biomasse zum Kohlenstoffpool des Bodens setzt jedoch nicht nur unterschiedliche
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Jun.-Prof. Sandra Spielvogel
spielvogel@uni-koblenz.de
Biomarkermuster in den verschiedenen Pflanzenteilen voraus, sondern auch, dass diese Muster während
des Abbaus der organischen Bodensubstanz erhalten bleiben.
Im Rahmen der geplanten Abschlussarbeit sollen Laborinkubationsversuche mit Kobresia pygmaea
durchgeführt werden um die Veränderung des Cutin- und Suberinmusters in den abgestorbenen
Pflanzenteilen und im Boden in Abhängigkeit von verschiedenen Feuchteregimes zu verfolgen.
Hierfür sollen folgende Versuche durchgeführt werden:
•
Laborinkubation von Wurzel- und Sprossmaterial von Kobresia pygmaea bei 60% und 30%
Wasserhaltekapazität.
•
Messung der Cutin und Suberingehalte sowie deren Zusammensetzung über die Zeit.
•
Identifikation monomerspezifischer Umsatzraten.
Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:
•
Im Laufe der Degradation von Cutinen und Suberinen reichern sich diejenigen Monomere an, die im
„Zentrum“ des Makromoleküls lokalisiert sind (di- und tri-Hydroxyfettsäuren). Andere Monomere
reichern sich tendenziell ab.
•
Trotzdem bleibt das Pattern der „Core-Monomere“ erhalten und erlaubt die Unterscheidung zwischen
Cutinen und Suberinen auch bei fortgeschrittenem Abbaugrad.
•
Bei 60% WHK verändert sich das Monomermuster schneller als bei 30% WHK.
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Jun.-Prof. Sandra Spielvogel
2.
spielvogel@uni-koblenz.de
Einfluss von Landnutzung und Biodiversität auf die Zusammensetzung
und
Stabilität
der
organischen
Bodensubstanz
Klimagradienten am Mt. Kilimandscharo
(Möglichkeit
entlang
zur
Anfertigung
eines
zweier
gekoppelte Abschlussarbeiten).
Um den Einfluss von Klima- und Landnutzungsänderungen auf die Biodiversität und Ökosystemstabilität
am Mt. Kilimanjaro zu verstehen ist es notwendig, die biotischen und abiotischen Faktoren zu kennen,
welche
die
Kohlenstoff-
und
Nährstoffflüsse
in
diesem
Ökosystem
steuern.
Das
geplante
Abschlussprojekt konzentriert sich hierbei auf die Zusammensetzung und den Abbaugrad der
organischen Substanz, die den wichtigsten Kohlenstoffspeicher im System darstellt. Zu diesem Zweck
soll der Beitrag leicht abbaubarer Kohlenverbindungen (hydrolysierbare Neutralzucker) vs. schwerer
abbaubarer Kohlenstoffverbindungen (Cutin/Suberin und Lignin) zum Kohlenstoffpool entlang eines
Höhen- und Landnutzungsgradienten in verschiedenen Bodentiefen bestimmt werden und mit der
Biodiversität und den Klimabedingungen in Beziehung gesetzt werden. Mittels Dichtefraktionierung
(evtl. Aggregatfraktionierung) soll der Beitrag pflanzlicher und mikrobieller Kohlenstoffverbindungen
zu SOC-Pools mit unterschiedlichen Umsatzraten ermittelt werden (Abschlussarbeit 1).
Blick auf den Mt. Kilimandscharo (Quelle: http://www.uni-goettingen.de)
Darüber hinaus soll der Abbau des pflanzlichen Materials entlang des Landnutzungs- und
Klimagradienten
durch
Bestimmung
des
Abbaugrads
von
hydrolysierbaren
Neutralzuckern,
Cutinen/Suberinen und Lignin in den Proben eines „Litterbag-Experiments“ entlang des Klima- und
Landnutzungsgradienten genauer untersucht werden (Kooperation mit Projekt 7) und mit der
Zusammensetzung der mikrobiologischen und makrobiologischen Zersetzergemeinschaft (bestimmt
durch Projekt 7) in Beziehung gesetzt werden (Abschlussarbeit 2).
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CambicAndosol am Mt. Kilimandscharo (Foto: Y. Kuzyakov, Georg-August-Universität Göttingen)
Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:
•
Messung der Neutralzucker, Cutin, Suberin und Ligningehalte in den Pflanzen und Bodenproben des
Klima- und Landnutzungsgradienten
•
Messung der Neutralzucker, Cutin, Suberin und Ligningehaltein den Dichtefraktionen der Bodenproben.
•
Messung der Neutralzucker, Cutin, Suberin und Ligningehalte in den Proben des „LitterbagExperiments“.
Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:
•
Zusammensetzung und Abbaugrad des organischen Materials verändern sich entlang des Klima- und
Landnutzungsgradienten.
•
Das Muster der hydrolysierbaren Lipide im Boden weist unter Systemen höherer pflanzlicher
Biodiversität ebenfalls eine höhere Diversität auf.
•
Die
Dominanz
unterschiedlicher
Makro-
und
Mikrozersetzergemeinschaften
unterschiedlichen „Zersetzungsmustern“ des OM (Litterbag-Exp.)
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resultiert
in
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3. Spät-Quartäre Verschiebung der Baumgrenze am Mt. Kilimandscharo
Im späten Quartär verschob sich die Baumgrenze am Mt. Kilimandscharo mehrere Male aufgrund der
Klimaverschiebungen aber auch im Zusammenhang mit großflächigen Brandereignissen. Seesedimente,
Moorböden und überlagerte Böden sollen genutzt werden die historische Vegetations- und
Klimaentwicklung am Mt. Kilimandscharo zu rekonstruieren und daraus zukünftige Entwicklungen im
Rahmen der globalen Erwärmung ableiten zu können.
Verlagerung der Baumgrenze am Mt. Kilimandscharo (Quelle: Universität Bayreuth, http://www.unep.org)
Die geplante Arbeit findet in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Behling (Department of Palynology and
Climate Dynamics, Universität Göttingen) statt, die die historische Vegetationsentwicklung anhand von
Pollenanalysen rekonstruiert.
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Probennahme im Urwald des Mt. Kilimandscharo
Ziel der Abschlussarbeit ist es, geeignete molekulare Proxys zu identifizieren um die Verschiebungen
der Baumgrenze am Mt. Kilimandscharo zu rekonstruieren und mit historischen Klimaänderungen aber
auch mit großflächigen Brandereignissen in Beziehung zu setzen.
Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:
•
Analyse der Pattern von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden der dominierender
Pflanzenarten.
•
Bestimmung des Patterns von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden in den Proben
der Seesedimente, Moorböden und begrabenen Horizonten.
•
BPCA-Analyse an ausgewählten Proben zum Nachweis von Vegetationsbränden.
Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:
•
Mit Hilfe des Patterns von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden in den Sedimentund Bodenproben lassen sich historische Verschiebungen der Baumgrenze am Mt. Kilimandscharo
rekonstruieren.
•
Die
molekularen
Proxys
sind
„ortsfester“
als
die
ebenfalls
zur
Rekonstruktion
früherer
Vegetationsgesellschaften verwendeten Pollen (werden nicht mit dem Wind verlagert). Insbesondere
Suberin, das nur in Wurzeln vorkommt zeichnet sich durch eine hohe „Ortsgenauigkeit“ aus. Daher
können frühere Vegetationsgrenzen mit Hilfe der molekularen Proxys genauer gezogen werden.
•
Die Verwendung der molekularen Proxys erlaubt eine Vegetationsrekonstruktion auch noch in
Horizonten/Schichten die keine Pollen mehr enthalten.
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4. Kohlenstoffinput und –umsatz in Bioporen
Bodenkohlenstoff ist einer der wichtigsten Kohlenstoffspeicher weltweit und stellt damit eine
Schlüsselgröße im globalen Kohlenstoffhaushalt dar. Kaum beachtet wurde bisher die Rolle von
Unterböden (>30 cm Tiefe) für die Kohlenstoffspeicherung. Unklar ist z.B. nach wie vor die quantitative
Bedeutung von Kohlenstoff, der auf verschiedenen Eintragswegen in den Unterboden gelangt.
Insbesondere die Bedeutung von Bioporen für den Eintrag von C in den Unterboden ist noch nicht
geklärt.
Bioporen im Unterboden
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Im geplanten Abschlussprojekt sollen die molekularen Muster der extrahierbarer Lipide, der
hydrolysierbarer Lipide (Cutin/Suberin) und des Lignins genutzt werden um zwischen Bioporen die von
Wurzeln und solchen die von Regenwürmern über-/geformt wurden zu unterscheiden und ihren Beitrag
zum Eintrag von C in den Unterboden unter Pflanzen mit unterschiedlichem Wurzelsystem
abzuschätzen.
Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:
•
Sequentielle Analyse des Patterns von extrahierbaren Lipiden, Cutin-, Suberin- und Lignin in
Pflanzenwurzeln und Regenwurmfacies zur Identifikation charakteristischer Muster.
•
Bestimmung der Muster von Lipiden, Cutin-, Suberin- und Lignin in den Bodenproben von Bioporen und
im bioporenfreien, umgebenden Boden.
Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:
•
Mit Hilfe des Patterns von extrahierbaren Lipiden, Cutin-, Suberin- und Lignin können Bioporen, die von
Wurzeln geformt wurden von Regenwurmröhren unterschieden werden.
•
Mit Hilfe der Cutinverteilung (Verwendung von
13
C markiertem Pflanzenmaterial;
13
C-Cutin = Marker für
oberirdische Biomasse) in Regenwurmröhren kann die Bedeutung der Einbringung oberirdischer
Biomasse durch Würmer unter verschiedenen Fruchtfolgen für den C-Pool des Unterbodens
abgeschätzt werden.
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5. Vorräte und Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz entlang
einer
Landnutzungssequenz
von
natürlichem
Regenwald
bis
zu
Palmölplantagen in Sumatra
Der Gehalt an organischem Kohlenstoff (OC) stellt ein wichtiges Maß der Bodenfruchtbarkeit dar. Dies
gilt
insbesondere
für
die
tiefgründig
verwitterten
Böden
tropischer
Regenwälder.
Zwei
ineinandergreifende Prozesse können in den Böden intakter Regenwälder Sumatras die Anreicherung von
OC im (Unter-)boden begünstigen: 1) Der schnelle Abbau von abgestorbenem Pflanzenmaterial an der
Bodenoberfläche und in den obersten Bodenhorizonten unter feucht-warmen Bedingungen führt zur
Produktion großer Mengen an gelöstem organischem Material (DOM) und somit zu einer raschen
Verlagerung von löslichen Kohlenstoffverbindungen im Boden. 2) Hohe Gehalte an Fe3+ and Al3+-Oxiden
in den tiefgründig verwitterten Böden stehen als Sorbenten für den freigesetzen OC zur Verfügung.
Hypothese: Entlang der Transformationssequenz verändert sich die Menge und Zusammensetzung des eingetragenen
organischen Materials.
Das geplante Abschlussprojekt basiert auf der Annahme, dass sich sowohl Qualität als auch Menge des
in den Boden eingetragenen DOM entlang einer Transformationssequenz von natürlichem Regenwald
über „Jungle Rubber Plantagen“ bis hin zu herkömmlichen Gummi- und Palmölplantagen verändern. Ziel
der Abschlussarbeit ist es, mittels Analyse einer Sequenz von Biomarkern Menge, Zusammensetzung
und
Abbaugrad
des
Landnutzungssequenz
organischen
aus
Materials
natürlichem
in
der
Regenwald,
Auflage
„Jungle
und
Rubber
im
Boden
Plantagen“,
entlang
Gummi-
einer
und
Palmölplantagen zu untersuchen und mit der Menge und Qualität des produzierten DOM in Beziehung zu
setzen.
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Palmölplantage in Sumatra
Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:
•
Analyse von Menge und Abbaugrad von extrahierbaren Lipiden, Cutin-, Suberin-, Lignin und
Neutralzuckern in Streu und Böden entlang der Landnutzungssequenz.
•
Fraktionierung des DOM in hydrophiles DOM (HiDOM) und hydrophobes DOM (HoDOM).
Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:
•
Entlang der Landnutzungssequenz von natürlichem Regenwald über „Jungle Rubber Plantagen“ zu Gummiund Palmölplantagen nimmt die Menge des in den Boden eingetragenen OC ab und der Abbaugrad des OC
steigt an.
•
Dadurch verändert sich die Qualität des DOM im Boden. Die relative Menge an HiDOM nimmt ab,
während der prozentuale Anteil desHoDOM am gesamten DOM ansteigt.
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6. Sorptionsprozessevon
Aggregatstabilität
gelöstem
in
organischem
Böden
Sumatras
Material
entlang
und
einer
Landnutzungssequenz von natürlichem Regenwald bis zu Palmölplantagen
Die Bildung von Aggregaten leistet einen wesentlichen Beitrag zur Strukturbildung von Böden und zur
Stabilisierung organischer Substanz (“physikalische Stabilisierung). Mikroaggregate (63–250 µm)
stellen hierbei die kleinste strukturbildende Einheit in Böden dar. Maßgeblich für die Bildung von
Mikroaggregaten in Böden sind Sorptionsprozesse (Adsorption und Präzipitation) von organischem
Material (OM) an Mineralen und umgekehrt, wodurch weitere Reaktionen mit Mineralen oder OM
stattfinden können.
REM Aufnahmen unterschiedlicher Eisenoxide (Quelle:K. Kaiser, R. Mikutta, G. Guggenberger (2007) SoilSci. Soc. Am. J.)
Das geplante Abschlussprojekt basiert auf der Annahme, dass sich sowohl Qualität als auch Menge des
in
den
Boden
eingetragenen
gelöstem
organischem
Material
(DOM)
entlang
einer
Transformationssequenz von natürlichem Regenwald über „Jungle Rubber Plantagen“ zu Gummi- und
Palmölplantagen verändern. Es wird davon ausgegangen, dass die relative Menge an hydrophilem DOM
(HiDOM) abnimmt, während der prozentuale Anteil von hydrophobem DOM (HoDOM) am gesamten DOM
ansteigt. Dies könnte einen maßgeblichen Einfluss auf Zusammensetzung des OM in den Aggregaten
aber auch auf die Aggregatstabilität und damit die Mineralisierung des OM haben.
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Umbric Acrisol in Sumatra
Um dies zu testen, sollen Aggregatstabilität und Zusammensetzung des OM in Mikro-aggregaten von
Böden entlang einer Landnutzungssequenz von natürlichem Regenwald über „Jungle Rubber Plantagen“ zu
Gummi- und Palmölplantagen in Sumatra untersucht werden.
Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:
•
Aggregatfraktionierung der Böden entlang der Landnutzungssequenz
•
Selektive Auflösung der Bindemittel der (Mikro-)aggregate der verschiedenen Aggregatgrößenklassen
(v.a. Fe- und Al-Oxide). Bestimmung der C und N Gehalte im Rückstand
•
Analyse der chemischen Zusammensetzung des OM in den verschiedenen Aggregatgrößenklassen.
Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:
•
Entlang der Landnutzungssequenz von natürlichem Regenwald über „Jungle Rubber Plantagen“ zu Gummiund Palmölplantagen verändert sich die Menge und Zusammensetzung des in Aggregaten gebundenen
Kohlenstoffs.
•
Darüber hinaus verändert sich die Aggregatstabilität.
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7. Rekonstruktion der historischen Vegetationszusammensetzung und –
dynamik
in
früheren
Regenwaldregionen
Sumatras
mit
Hilfe
molekularer Marker
Ein großer Teil des früheren Regenwaldes in Sumatra wurde im Holozän durch menschliche Aktivität
überformt und z.T. in landwirtschaftliche Nutzfläche umgewandelt. Dies zieht enorme Konsequenzen im
Hinblick auf verschiedenste Ökosystemdienstleistungen und im Hinblick auf die Biodiversität der
betroffenen Flächen nach sich. Bisher ist jedoch wenig über die Entwicklung und Dynamik der
Regenwaldtransformation Sumatras imHolozän bekannt. Die frühere Ausdehnung unterschiedlicher
Vegetationsformen bleibt bislang weitgehend spekulativ.
Pollen unterschiedlicher Pflanzen im Untersuchungsgebiet(Quelle:H. Behling, Georg-August-Universität Göttingen)
Für ein umfassendes Verständnis der gegenwärtigen Entwicklung und Dynamik in den Regenwaldregionen
Sumatras
sind
integrierende
Studien
notwendig,
mittels
derer
die
vergangenen
Vegetationstransformationen mit historisch überlieferten Ereignissen (Waldbrände, Klimaänderungen,
Landnutzung) in Verbindung gebracht werden können. Ziel der geplanten Abschlussarbeit ist es daher,
die historische Regenwaldtransformation in den zentralen Untersuchungsgebieten Sumatras mittels
molekularer Marker zu rekonstruieren.
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Die geplante Arbeit findet in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Behling (Department of Palynology and
Climate Dynamics, Universität Göttingen) statt, die die Vegetations-entwicklung im Holozän in den
Regenwaldgebieten Sumatras anhand von Pollenanalysen rekonstruiert.
Gummigewinnung in Sumatra
Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:
•
Analyse
des
Patterns
von
Tanninen,
Cutinen,
Suberinen
und
extrahierbaren
Lipiden
der
dominierendenrezenten Vegetationsformen (natürlicher Regenwald, „Jungle Rubber Plantage“, Gummiund Palmölplantage).
•
Bestimmung des Patterns von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden in den Proben
überlagerter Bodenprofile und Sedimente.
Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:
•
Mit Hilfe des Patterns von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden in den Sedimentund
Bodenproben
lassen
sich
historische
Vegetationsgesellschaften/Landnutzungssysteme
rekonstruieren.
•
Die
molekularen
Proxys
sind
„ortsfester“
als
die
ebenfalls
zur
Rekonstruktion
früherer
Vegetationsgesellschaften/Landnutzungssysteme verwendeten Pollen (werden nicht mit dem Wind
verlagert). Insbesondere Suberin, das nur in Wurzeln vorkommt zeichnet sich durch eine hohe
„Ortsgenauigkeit“ aus.
•
Die Verwendung der molekularen Proxys erlaubt eine Landnutzungsrekonstruktion auch noch in
Horizonten/Schichten, die keine Pollen mehr enthalten.
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