Auswirkungen der chronischen Erwärmung auf die mikrobielle Vielfalt im Boden

Ökosysteme sind komplexe Netzwerke, in denen Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen interagieren. Die Rolle von Mikroorganismen in diesen Systemen ist wichtig, weil sie helfen, organisches Material abzubauen und Nährstoffe zu recyceln. Ein entscheidender Aspekt, wie gut ein Ökosystem funktioniert, hängt von der Vielfalt dieser Mikroorganismen ab. Allerdings ist es nicht einfach, diese Vielfalt zu messen. Oft schauen Wissenschaftler auf die Arten von Mikroorganismen, die vorhanden sind, um ihre Funktionen abzuleiten, aber diese Methode kann irreführend sein, besonders in Umgebungen wie Boden.

Funktionale Vielfalt, die sich auf die Rollen von Mikroorganismen konzentriert, anstatt auf ihre Arten, könnte ein besseres Bild davon liefern, wie gut ein Ökosystem funktioniert. Trotzdem kann es schwierig sein, die funktionale Vielfalt von Mikroorganismen zu messen, wegen ihrer Komplexität und Variation. Ein neues Rahmenwerk namens Yield, Acquisition, Stress (YAS) hilft dabei, diese Mikroorganismen basierend auf ihren Lebensstrategien zu klassifizieren. Diese Methode betont, wie Mikroorganismen mit Ressourcen, Stress und Wettbewerb in ihrer Umgebung umgehen.

#Auswirkungen der chronischen Erwärmung

Der Klimawandel hat zu steigenden Temperaturen geführt, was wiederum die Bodenqualität und die darin lebenden Mikroorganismen beeinflusst. Über die Zeit kann Erwärmung das organische Material im Boden reduzieren und das Verhalten von Mikroorganismen verändern. Zum Beispiel kann langfristige Erwärmung wichtige Verbindungen im Boden wie Lignin abbauen, die für die Gesundheit des Ökosystems entscheidend sind.

In Experimenten, wo der Boden erhitzt wurde, wurde beobachtet, dass die Anzahl spezieller Enzyme – Proteine, die beim Abbau organischer Materialien helfen – zunimmt. Diese Veränderung könnte eine Reaktion auf die trockeneren Bedingungen sein, die durch die Erwärmung geschaffen werden, was es Mikroorganismen erschwert, auf Ressourcen zuzugreifen. Auch wenn frühere Studien keinen klaren Zusammenhang zwischen der Vielfalt von Mikroorganismen und der Funktionsfähigkeit des Ökosystems zeigten, könnten Veränderungen in der Bodenqualität und im Verhalten der Mikroben durch Erwärmung diese Beziehung beeinflussen.

#Hypothesen

Basierend auf diesen Beobachtungen haben wir zwei Hauptideen aufgestellt. Erstens dachten wir, dass die langfristigen Auswirkungen der Erwärmung die Verbindung zwischen funktionaler Vielfalt und der Funktion des Ökosystems verbessern würden, weil Eigenschaften, die Mikroorganismen helfen, Ressourcen zu erwerben und mit Stress umzugehen, zunehmen würden. Zweitens glaubten wir, dass in den erhitzten Bodenparzellen stressbezogene Eigenschaften eine stärkere Beziehung zur Funktion des Ökosystems zeigen würden als in Kontrollparzellen, die nicht erhitzt wurden.

#Studienort und Methoden

Unsere Studie fand im Harvard Forest Erwärmungsexperiment in Petersham, MA, statt. Bodengemische wurden an zwei verschiedenen Terminen 2014 nach fast 25 Jahren Erwärmungsbehandlung gesammelt. Wir dividierten den Boden in verschiedene Schichten, um das organische Material und die Mineralinhalte separat zu analysieren.

Um die allgemeine Funktionalität des Ökosystems, bekannt als Ökosystem-Multifunktionalität (EMF), zu bewerten, schauten wir uns vergangene Daten zu Enzymaktivitäten und mikrobieller Biomasse an. EMF bietet eine Möglichkeit, zu verstehen, wie gut das Ökosystem verschiedene Funktionen erfüllt.

Für die funktionale Vielfalt verwendeten wir vorhandene Daten und eine systematische Methode, um die mikrobiellen Eigenschaften basierend auf dem YAS-Rahmen zu analysieren. Das beinhaltete die Überprüfung der Datenqualität, das Entfernen unerwünschter Sequenzen und die Kategorisierung nach ihren Funktionen im Ökosystem. Wir berechneten auch verschiedene Diversitätsmetriken, um die Reichhaltigkeit und Gleichmässigkeit der mikrobiellen Eigenschaften in den Proben zu verstehen.

#Ergebnisse

In der organischen Schicht der erhitzten Böden fanden wir heraus, dass die Vielfalt der Eigenschaften, die mit dem Erwerb von Ressourcen zu tun haben, signifikant geringer war als in den Kontrollböden. Diese Abnahme könnte darauf hinweisen, dass chronische Erwärmung den Boden weniger einladend für Mikroorganismen macht, die in reichen, organischen Umgebungen gedeihen. Zum Beispiel waren spezifische Eigenschaften, die mit der Ressourcenbeschaffung der Mikroorganismen zusammenhängen, weniger vielfältig, was auf potenzielle Probleme bei der Kohlenstoffverfügbarkeit in diesen erhitzten Böden hindeutet.

Interessanterweise wurden keine Unterschiede in der Vielfalt der Eigenschaften in den mineralischen Böden durch die Erwärmung festgestellt. Zudem schienen die saisonalen Veränderungen die Vielfalt der mikrobiellen Eigenschaften in beiden Bodentypen nicht zu beeinflussen.

In den mineralischen Böden bemerkten wir eine komplexe Beziehung zwischen EMF und der Reichhaltigkeit der mit dem Erwerb zusammenhängenden Eigenschaften, die durch die Erwärmung beeinflusst wurden. In den Kontrollböden gab es einen positiven Trend, was bedeutete, dass mit der Zunahme dieser Eigenschaften die Funktionen des Ökosystems besser wurden. In den erhitzten Parzellen jedoch kehrte sich diese Beziehung um und zeigte einen negativen Trend. Dieses Ergebnis stand im Widerspruch zu unserer Hypothese und deutete darauf hin, dass gesteigerter Wettbewerb unter den Mikroorganismen die Gesamtfunktion des Ökosystems beeinträchtigen könnte.

Erwerbsmerkmale sind entscheidend für den Ressourcenwettbewerb, und ein höherer Wettbewerb kann zu einer weniger effektiven Nutzung von Ressourcen führen. Diese Situation tritt oft auf, wenn verschiedene Mikroorganismen Ressourcen nicht gut teilen können, was zu einer weniger effizienten Funktion des Ökosystems führt. Stress kann diesen Wettbewerb zusätzlich komplizieren, indem er stört, wie Mikroorganismen interagieren.

#Diskussion

Unsere Studie zeigt, dass Erwärmung erheblichen Einfluss auf die Reichhaltigkeit der Eigenschaften hat, die mit der Ressourcenbeschaffung in der organischen Schicht des Bodens zusammenhängen. Der negative Zusammenhang zwischen diesen Eigenschaften und der Funktion des Ökosystems in erhitzten Parzellen verdeutlicht die Komplikationen, die sich aus dem erhöhten Wettbewerb unter Mikroorganismen ergeben. Da die Erwärmung die Qualität und Quantität der verfügbaren Ressourcen beeinflusst, könnte der Wandel in den mikrobiellen Strategien zu einer weniger effizienten Funktion im Ökosystem führen.

Diese Ergebnisse machen deutlich, dass steigende Temperaturen die Fähigkeit von Mikroorganismen, zu gedeihen, einschränken können, was die allgemeine Gesundheit und Funktionsweise von Ökosystemen beeinträchtigt. Während wir erwarteten, dass langfristige Erwärmung die Beziehung zwischen funktionaler Vielfalt und der Funktion des Ökosystems verbessert, zeigen die Ergebnisse die Komplexität und Herausforderungen, die in erhitzten Umgebungen auftreten.

#Fazit

Insgesamt deutet unsere Forschung darauf hin, dass langfristige Erwärmung schädliche Auswirkungen auf die Vielfalt wichtiger mikrobieller Eigenschaften im Boden hat. Diese Veränderung kann negative Konsequenzen dafür haben, wie gut das Ökosystem seine verschiedenen Funktionen erfüllt. Die Verbindung zwischen mikrobieller Vielfalt und der Funktion des Ökosystems wird durch die spezifischen Lebensstrategien der Mikroorganismen beeinflusst, die durch Umweltveränderungen beeinflusst werden. Während der Klimawandel weiter voranschreitet, wird es entscheidend sein, diese Dynamiken zu verstehen, um gesunde Ökosysteme zu erhalten und die Auswirkungen steigender Temperaturen zu mildern.