Abb. 1: Wurmkot ist die Grundlage für die Fruchtbarkeit unserer Waldböden. Photo: B. Frey

Abb. 2: Die Knöllchenbakterien (Rhizobien) in den Wurzeln von Leguminosen sind fähig atmosphärischen Stickstoff zu binden. Photo: B. Frey

Abb. 3: Bakterien in Böden bestimmen viele ökologische Schlüsselfunktionen in globalen Stoffkreisläufen, so steuern sie die Mobilisierung von Stickstoff im Boden, produzieren klimarelevante Gase und bauen organische Schadstoffe ab. Photo: B. Frey

Abb. 4: Pilzsporen sind wichtig für die Verbreitung von Pilzen. Arten können dank ihrer mikroskopisch kleinen Merkmalen auf der Oberfläche bestimmt werden. Photo: B. Frey

Mikrobielle Gemeinschaften im Boden sind für viele ökologische Schlüsselfunktionen in globalen Stoffkreisläufen verantwortlich. Eingriffe des Menschen in das Oekosystem Boden finden täglich und überall statt. So verdeutlichen die gesellschaftlichen Fragestellungen wie die Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit, der Abbau von Schadstoffen oder die Bildung von klimawirksamen Gasen aus Böden, wie grundlegend gute Kenntnisse der Mikrobiologie im Bereich des Bodens sind. So können bei ungenügender Kenntnis der ökologischen Zusammenhänge negative Auswirkungen auf den Boden nicht vorgesehen oder beurteilt werden.

Motivation

• Biodiversität: Unser Wissen über mikrobielle Lebensgemeinschaften und deren Mannigfaltigkeit ist noch sehr gering. Ein Waldboden ist das grösste Reservoir für die biologische Vielfalt im Wald. Wir finden bis zu 8000 verschiedene Bakteriengenome in einem Gramm Boden. Dies ist bis zu 20x vielfältiger als was wir in einem Ackerboden finden. Ein Verlust dieser Vielfalt hat folgenreiche Konsequenzen für den Streuabbau und die Humusbildung im Wald.
• Klimaveränderungen: Temperaturerhöhung und verändertes Niederschlagsregime ist hauptsächlich verantwortlich für die vermehrten Waldbrände, die Wanderung von Pflanzen in höhere gelegene Gebiete, den Rückzug der Gletscher in den Alpen und das Auftauen von Permafrost. Entlang eines Höhentransektes in Beatenberg (Voralpen) liess sich eine Zunahme der jährlichen CO₂-Flüsse aus dem Boden mit zunehmender Bodentemperatur feststellen. Diese war sehr stark ausgeprägt und führte von der kältesten (3.9 Grad Jahresmitteltemperatur) zur wärmsten (6.4 Grad JMT) Fläche zu einer Verdoppelung der Bodenatmung. Mit einem durchschnittlichen Temperaturanstieg in dieser Grössenordnung ist im Laufe dieses Jahrhunderts zu rechnen, was Folgen für die biologische Vielfalt im Boden mit sich bringt. Veränderungen in der Zusammensetzung bakterieller und pilzlicher Vielfalt durch Temperaturerhöhung /Trockenheit führt wiederum zu positiven oder negativen Rückschlüssen auf biogeochemische Kreisläufe (CO₂, Methan).
• Schwermetalle: Seit 2001 untersuchen wir im Rahmen des Forschungsprojektes "Critical Limits and Effect Based Approaches for Heavy Metals" die Auswirkungen der Schwermetalle auf sensitive Bodenrezeptoren und setzen die Ergebnisse unter Beizug von bereits bestimmten Transferfunktionen zwischen Boden-Kompartimenten in Beziehung zu kritischen Eintragsraten aus der Luft. Diese Untersuchungen leisten einen wichtigen Beitrag zur Erarbeitung von Critical Loads für Schwermetalle in der Schweiz im Rahmen der UN/ECE-Konvention über weiträumige grenzüberschreitende Luftverunreinigung und sollen die empirischen Grundlagen für die Herleitung von Critical Limits von Schwermetallen in Böden verbessern und ein mögliches Risiko der heute vorherrschenden Blei, Cadmium und Quecksilber-Gehalte im Boden für wichtige Rezeptoren in Waldökosystemen abschätzen.

Ziele der mikrobiellen Oekologie

Im Mittelpunkt der Forschung steht die Frage: wodurch werden Bodenorganismen beeinflusst? Neben den Fragen zum Prozessverständnis - wer macht was, wo und wie - beschäftigen wir uns hauptsächlich auch mit den Auswirkungen von Bodenbelastungen auf die mikrobiellen Populationsstrukturen und mikrobiellen Prozessen. Das Ziel dieser Untersuchungen ist es, Indikatorenorganismen (Biomarker) zu finden, die ungünstige Bedingungen im Boden anzeigen. Dies ermöglicht eine frühzeitige Abschätzung der potentiellen negativen Auswirkungen auf Bodenlebewesen.

Laufende Projekte

Schwermetalle

Kritische Belastungsgrenzen und wirkungsbezogene Untersuchungen zu Schwermetallen

Mechanische Bodenbelastungen

Charakterisierung von mechanischen Bodenbelastungen durch schwere Erntemaschinen mittels mikrobiellen Populationsstrukturen

Gletschervorfelder

Mikrobielle Besiedlung und ihre Wirkungen auf die Verwitterung von Mineralien (CCES-Big Link)

Streuabbau

Abbau von Wurzelstreu auf den LWF-Flächen und entlang von Höhengradienten

Kohlenhydrat-Metabolismus in Wurzeln

Einfluss von oberirdischem Stress auf die Einlagerung von Stärke und Zucker in Pappelwurzeln

Methoden

Wir verwenden klassische Methoden wie Kultivierung auf künstlichen Medien zur Analyse mikrobieller Populationen. Diese Methoden erlauben zwar eine grobe morhologische und physiologische Charaktersierung, sie können aber keine Aussagen über die biologische Vielfalt und die natürlichen Verwandtschaften der verschiedenen Organismen machen. Dank der Entwicklungen in der molekularen Biologie können wir heute die Bakterienvielfalt auch ohne Kultivierung untersuchen. DNA, die gemeinsame Erbsubstanz (fast) aller Organismen, wird aus Umweltproben (z.B. Boden), direkt extrahiert. Mit Hilfe der PCR-Methode lassen sich aus dieser DNA bestimmte Gene isolieren, die Auskunft über die Vielfalt der Mikroflora geben. Die Auswirkungen einer Bodenbelastung untersuchen wir mittels genetischer Profling Methoden (T-RFLP, DGGE), welche die Veränderungen der Vielfalt messen. Indikatorenorganismen isolieren und identifizieren wir mittels Klonierung und Sequenzierung.

Einrichtungen

Unser Institut ist ausgezeichnet ausgerüstet, um mikrobiologische und molekulargenetische Studien durchzuführen:

• ABI 7500 Fast real-time PCR
• ABI Genescan 310 und 3100, Kapillarelektrophorese zum Sequenzieren und genetisches Profiling (T-RFLP)
• Agilent Bioanalyzer
• Thermozyklers
• Apparatur für DGGE/TGGE Elektrophorese, Gel Doc 2000 Photodokumentation and D-Code System
• Gelelektrophorese für Agarose und Elchrom
• Nanodrop Spectrphotometer für DNA, RNA Quantifizierung
• UV-Vis, Mikroplattenleser für Fluoreszenz und Lumineszenz
• Tieftemperatur Rasterelektronenmikroskop kombiniert mit Energie-dispersiver Röntgenmikroanalytik (SEM-EDX)
• Gefriertrockner
• Verschiedene Einrichtungen für Aufschluss von Bodenproben (FastPrep Maschine), Zentrifugen, Inkubatoren, -20 and -80 Gefrierschränke, Biosafety Labor

Zentrallabor (im Hause):

• GC-IRMS für stabile Isotopen
• AAS, ICP-MS
• Total C and N Analysator
• Ionen Chromatographie

Publikationen

• Ernst G., Zimmermann S., Christie P., Frey B. (2008) Mercury, cadmium and lead concentrations in different ecophysiological groups of earthworms in forest soils. Environmental Pollution (in press).
• Frey B., Pesaro M., Rüdt A., Widmer F. (2008a) Dynamics of bacterial communities in bulk and poplar rhizosphere soil contaminated with heavy-metals. Environmental Microbiology (in press: doi: 10.1111/j.1462-2920.2007.01556.x).
• Lazzaro A., Widmer F., Sperisen C., Frey B. (2008) Identification of dominant phylotypes in a cadmium-treated forest soil. FEMS Microbiology Ecology 63:143-155.
• Novak C., Schaub M., Fuhrer J., Skelly JM., Frey B., Kräuchi N. (2008) Ozone effects on visible foliar injury and growth of Fagus sylvatica and Viburnum lantana seedlings grown in monoculture or in mixture. Environmental and Experimental Botany 62:212-220.
• Brunner I., Luster J., Gûnthardt-Goerg M., Frey B. (2007) Heavy metal accumulation and phytostabilisation potential of tree fine roots in a contaminated soil. Environ Pollut (in press: doi:10.1016/j.envpol.2007.07.006).
• Ernst G., Frey B. (2007) The effect of feeding behaviour on Hg accumulation in the ecophysiologically different earthworms Lumbricus terrestris and Octolaseon cyaneum: a microcosm experiment. Soil Biology and Biochemistry 39:386-390.
• Nötzli K., Böll A., Frey B., Graf F., Holdenrieder O. (2007) Release of iron from bonding nails in torrent control check dams and its effect on wood decomposition by Fomitopsis pinicola. Wood research 52:1-14.
• Frey B., Stemmer M., Widmer F., Luster J., Sperisen C. (2006) Microbial characterization of a heavy metal-contaminated soil in a model forest ecosystem. Soil Biology and Biochemistry 38:1745-1756.
• Frey B., Hagedorn F., Giudici F. (2006) Effect of girdling on soil respiration and root composition in a sweet chestnut forest. Forest, Ecology and Management 225:271-277.
• Novak B., Rais D., Frey B., Menon M., Schulin R., Günthardt-Goerg M., Luster J. (2006) Influence of heavy metal contamination on soil parameters in a lysimeter experiment designed to evaluate phytostabilization by afforestation. For. Snow Landsc. Res. 80:201–211.
• Lazzaro A., Hartmann M., Blaser P., Widmer F., Schulin R., Frey B. (2006a) Bacterial community structure and activity in different Cd-treated forest soils. FEMS Microbiology Ecology 58:278-292.
• Lazzaro A., Schulin R., Widmer F., Frey B. (2006b) Changes in lead availability affect bacterial community structure but not basal respiration. Science of Total Environment 371:110-124.
• Rigling D., Günthardt-Goerg M., Blauenstein H., Frey B. (2006). Absorption of heavy metals into Armillaria rhizomorphs from contaminated soils. For. Snow Landsc. Res. 80:213–220.
• Widmer F., Hartmann M., Frey B., Koelliker R. (2006) A novel strategy to extract specific phylogenetic sequence information from community T-RFLP. Journal of Microbiological Methods 66:512-520.
• Cosio, C., DeSantis L., Frey B., Diallo S., Keller C. (2005) Cadmium distribution in leaves of Thlaspi caerulescens. Journal of Experimental Botany 56:765-775.
• Hartmann M., Frey B., Kölliker R., Widmer F. (2005) Semi-automated genetic analyses of soil microbial communities: comparison of T-RFLP and RISA based on descriptive and discriminative statistical spproaches. Journal of Microbiological Methods 61:349-360.
• Heim A., Frey B. (2004) Predicting litter decomposition rates for Swiss forests. Biogeochemistry 70:301-315.
• Jung C, Maeder V, Funk F, Frey B, Sticher H, Frossard E (2003) Release of phenols from Lupinus albus L. roots exposed to Cu and their possible role in Cu detoxification. Plant and Soil 252:301-312.
• Schwab B, Mathur J, Saedler R, Schwarz H, Frey B, Scheidegger C, Hülskamp M (2003) Regulation of cell expansion by the distorted genes in Arabidopsis thaliana: Action controls the spatial organization of microtubules. Molecular Genetics and Genomics 269:350-360
• Ringli C., Baumberger N., Diet A., Frey B, Keller B. (2002) ACTIN2 is essential for bulge site selection and tip growth during root hair development of Arabidopsis. Plant Physiology 129: 1464-1472.
• Zimmermann S., Frey B. (2002). Soil respiration and microbial properties in an acid forest soil: the effects of wood ash. Soil Biology and Biochemistry 34:1727-1737.
• Heim A., Brunner I., Frey B., Frossard E., Luster J. (2001) Root exudation, organic acids, and element distribution in roots of Norway spruce seedlings treated with aluminum in hydroponics. J Plant Nutr Soil Sci 164:519-526.
• Frey B., Keller C., Zierold K., Schulin R (2000) Distribution of Zn in functionally different leaf epidermal cells of the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens. Plant Cell and Environment, 23: 675-687
• Frey B., Zierold K., Brunner I (2000) Extracellular complexation of Cd in the Hartig net and cytosolic Zn sequestration in the fungal mantle of Picea abies – Hebeloma crustuliniforme ectomycorrhizas. Plant, Cell and Environment 23: 1257-1265.
• Brunner I., Frey B. (2000). Detection and localization of aluminium and heavy metals in ectomycorrhizal Norway spruce seedlings. Environmental Pollution 108: 121-128

Kontakt

• Beat Frey