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Titelaufnahme

Titel
Die Rhizosphäre als Hot-Spot der Methanbilanz / von Elisabeth Julia Calocero
Weitere Titel
The rhizospere as a hot spot of the methane balance
VerfasserCalocero, Elisabeth Julia
Begutachter / BegutachterinnenFernandez, Marina
Betreuer / BetreuerinnenIllmer, Paul
ErschienenInnsbruck, März 2018
UmfangVII, 106 Blätter, 31 verschieden gezählte Blätter : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Masterarbeit, 2018
Datum der AbgabeMärz 2018
SpracheDeutsch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)Klimawandel / Methan / Treibhausgase / Klimarelevante Gase / Rhizosphäre / Pflanzenwurzel / Methanproduktion
Schlagwörter (EN)climate change / methane / greenhouse gas / rhizosphere / plant root / methane production
Schlagwörter (GND)Reis / Rhizosphäre / Methanemission / Methanoxidierende Bakterien
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-16120 Persistent Identifier (URN)
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Die Rhizosphäre als Hot-Spot der Methanbilanz [3.75 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Schnittstelle zwischen der Pflanzenwurzel und dem unmittelbar umgebenden Boden wurde erstmals 1904 von Lorenz Hiltner als Rhizosphäre bezeichnet. Diese von Pflanzenwurzeln beeinflusste Zone ist ein Hot-Spot und gilt als eines der komplexesten Ökosysteme. Die vielfältigen Wurzelausscheidungen der Pflanzen beeinflussen sowohl biologisch als auch chemisch und physikalisch die Rhizosphäre und somit die dort lebenden Mikroorganismen. Die hohe Substratverfügbarkeit im Wurzelraum führt dazu, dass mikrobiologische Prozesse mit stärkerer Intensität ablaufen als im umliegenden Boden. Die Rhizosphäre bietet dadurch Mikroorganismen einen bevorzugten Lebensraum, der dynamisch und komplex ist und eine gesteigerte mikrobielle Aktivität und hohe Abundanz an Rhizosphärenorganismen ermöglicht. Durch die Wurzelexsudate kommt es zu vielfältigen Wechselwirkungen zwischen den Lebewesen, die in diesem Lebensraum leben. Diese Interaktionen können sowohl positiver als auch negativer Art sein. Eine besondere Rolle spielen Mikroorganismen, die für die Entwicklung, das Wachstum und die Versorgung der Pflanze mit Nährstoffen förderlich sind. Dies kann über direkte Mechanismen wie die Stickstofffixierung, Nährstoffmobilisierung oder Phytohormonproduktion erfolgen, oder auf indirektem Wege, d. h. über die Unterdrückung von Pflanzenpathogenen. Unter den von der Wurzel freigesetzten Substanzen befinden sich Aminosäuren, organische Säuren, Sterole, Vitamine, Fettsäuren, wachstumsstimulierende Exsudate wie Phytohormone und auch Wuchshemmer, z. B. Saponine. Die quantitative und qualitative Zusammensetzung dieser Komponenten steht dabei immer in Abhängigkeit von der Pflanzenart und dem Entwicklungsstadium der Pflanze, den Boden- und Umweltbedingungen und hängt zudem von den in der Rhizosphäre lebenden Mikroorganismen ab. In der Rhizosphäre herrscht durch Wurzelatmung und mikrobielle Aktivität ein erhöhter Sauerstoffbedarf und verbrauch. Da der Gasaustausch mit der Atmosphäre aber ein grundsätzlich limitierender Faktor ist, reduziert sich die O2-Verfügbarkeit stark. Hohe Wassergehalte wie z. B. in Nassreisböden oder Mooren verstärken diesen Effekt zusätzlich. Die Folge davon sind schließlich O2-limitierte Bedingungen und das Auftreten von spezifischen daran angepassten Redoxprozessen zum Abbau organischer Substanz. Als terminales Produkt entsteht dabei u. a. Methan, welches von dort aus in die Atmosphäre gelangt, wo es als zweitwichtigstes Klimagas mit steigender Tendenz zum Treibhauseffekt beiträgt. Die CH4- Konzentration stieg in den letzten 200 Jahren jährlich um etwa 1 %, d. h. der vorindustrielle Wert von 0,7 ppm erhöhte sich auf gegenwärtige 1,8 ppm CH4. Es gibt jedoch auch Mikroorganismen, die zur Methanoxidation befähigt sind. Die sogenannten Methanotrophen leben vorwiegend aerob und bewirken, dass ein Großteil des gebildeten Methans gleich an dem Ort des Entstehens oxidiert wird und daher nicht in die Atmosphäre gelangen kann. In der Rhizosphäre von Reisfeldern verringern Methanotrophe durch Oxidation von Methan die Netto-Emission um bis zu 90 %. CH4-Emissionen aus unterschiedlichen Böden sind von vielen Faktoren abhängig, die oft komplex zusammenwirken. Die Pflanzenart, die Temperatur, der Wassergehalt, der pH-Wert und das Redoxpotential nehmen ebenso Einfluss auf die CH4-Freisetzungsraten wie die Menge und Qualität des Substrats für Methanogene. Die Exsudation von Acetat, das den Methanogenen als Substrat dient, ist u. a. abhängig von der Photosyntheserate der Pflanze und somit vielleicht ein entscheidender Faktor, der sich auf die Methanbilanz auswirken kann. Weitere Wurzelexsudate wie z. B. die Mannose stellen leicht verfügbare Kohlenstoffquellen für den anaeroben Abbau und somit letztlich auch für die Methanogenese dar. Daneben spielen noch die Bewirtschaftungsform und das Vorhandensein und die Aktivität von Methanotrophen eine wesentliche Rolle für die Nettomethanbilanz. Die Fähigkeit der methanotrophen Mikroorganismen zur biologischen Methanoxidation gewinnt im Zuge der Klimaerwärmungsproblematik zunehmend an Bedeutung. Nassreisböden stellen die größten anthropogenen Methanquellen dar und werden in den nächsten Jahren aufgrund der zunehmenden Erdbevölkerung und des größeren Nahrungsmittelbedarfs an Bedeutung zunehmen. In den nächsten Jahren wird mit steigender Weltbevölkerung eine Intensivierung des Reisanbaus um bis zu 35 % erwartet. Jedoch besteht die Möglichkeit, die CH4-Bilanz über die Einflussnahme auf die vom Menschen verursachte Entwicklung, beispielsweise über Einschränkungen bei der Bewässerung oder den bedachten Einsatz von Düngemitteln zu kontrollieren. Die Art der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung kann dabei sowohl eine verminderte Methanbildung als auch eine erhöhte Aktivität von Methanotrophen bewirken.

Zusammenfassung (Englisch)

The interface between plant root and bulk soil was 1904 defined from Lorenz Hiltner as the so called Rhizosphere. This area is a hot spot and one of the most complex ecosystems. Root exudates of plants affect biologically, chemically and physically the rhizosphere and thus microorganisms, which are living there. The high substrate availability in the root area results in microbiological processes proceeding with a higher intensity than in the bulk soil. Thereby the rhizosphere offers microorganisms a preferred habitat, which is dynamic and complex and characterized by increased microbial activity and high abundance of rhizoshere microorganisms. As a result of the wide range of root exudate compounds, there are many interactions between organisms living there - positive or negative ones. Microorganisms, which supports the plant in its development, growth and supplying the plant with nutrients play a particular role. This can happen by direct mechanisms for example nitrogen fixation, nutrient solubilization or production of phytohormones, or indirectly for instance by suppression of plant pathogens. Root-released compounds include amino acids, organic acids, sterols, vitamins, fatty acids, growth stimulating exudates such as phytohormones and also growth inhibitors, for example saponins. The quantitative and qualitative composition of these substances is thereby always dependent on the plant species and the stage of development of the plant, the soil and environmental conditions and additionally depends on the microorganism living in the rhizosphere. In the rhizosphere, there is an increased oxygen requirement and consumption because of root breathing and micriobial activity. This increased O2-consumption is together with the limited gas exchange with the atmosphere the reason for reduced oxygen availability. Water-saturated conditions, e.g. found in paddy soils or swamps additionally boost this effect. The consequences are a switch to anaerobic conditions and the evolution of suitable redox processes for the degradation of organic matter. The terminal product of anaerobic degradation, CH4, is produced by methanogenic archaea and rises from there to the atmosphere, where it contributes as the second most prevalent greenhouse gas with an increasing tendency to the greenhouse effect. The CH4 concentration has increased in the last 200 years by about 1% anually. The pre-industrial value of 0,7 ppb increased up to about 1,8 ppb in the present. However, there are also microorganisms which are able to oxidize methane and use it as source of carbon and energy. The so called methanotrophs are mainly aerobic organisms and prohibit a bigger part of the produced methane from escaping from the soil in the atmosphere. In the rhizosphere of rice fields, methanotrophs reduce the net emissions of up to 90% of the produced methane by immediate degradation. CH4 emissions from different soils are dependent on many factors that often interact in a complex cooperation. The plant species, the temperature, the water content, the pH and the redox potential also influence the methane release rate like the quality and quantity of the substrate for methanogens. The exudation of acetate, which serves as a substrate for methanogens, depends also on the photosynthetic rate of the plant and is therefore perhaps a key factor that has an impact on the methane balance. Further root exudates, for example mannose are easy available sources of carbon for anaerobic degradation and thus for the process of methanogenesis. In addition, the type of management and the presence and activity of methanotrophs play an important role in the net methane balance. The competence of the methanotrophic microorganisms for biological methanoxidation is becoming increasingly important concerning climate warming. Paddy soils are the largest anthropogenic methane sources and will be massively expanded in the coming years due to the increasing population and food demand of the earth. Over the next few years, rice cultivation is expected to grow up to 35%. However, it might be possible to reduce anthropogenic CH4-emissions for example by minimizing soil irrigation or the limited use of fertilizers. Agricultural management might possibly cause both, reduced methane formation and increased activity of methanotrophs.

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