Mikrobiologie von Böden: Biodiversität, Ökophysiologie und Metagenomik

520 Pages·2011·9.67 MB·German

by  Professor em. Dr. sc. agr. habil. Johannes C. G. Ottow M. Sc. bact (KSU

Springer-Lehrbuch

Johannes C. G. Ottow
Mikrobiologie von Böden
Biodiversität, Ökophysiologie
und Metagenomik
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Professor em. Dr. sc. agr. habil. Johannes C. G. Ottow
M. Sc. bact (KSU, Manhattan, USA), Dipl.-Ing.agr. (Gießen), B.Sc. (Deventer, NL)
Institut für Angewandte Mikrobiologie
Justus Liebig-Universität
Heinrich-Buff-Ring 26–32
35392 Gießen
ISBN 978-3-642-00823-8 e-ISBN 978-3-642-00824-5
DOI 10.1007/978-3-642-00824-5
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rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der
Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann
benutzt werden dürften.
Umschlagfoto:
Links: Unbekannter goldgelber Blätterpilz (Agaricales, Ständerpilz) in der Grasnarbe unter einer Ko-
kospalme (Insel Lombok, Indonesien). Aufnahme: JCG Ottow
Rechts: Verschiedene Stadien der Eisenreduktion, Gleybildung und Fe(II) Autoxidation (in der Boden-
lösung) in einem sterilisierten Fe(III)-haltigen Mineralboden (angereichert mit ~ 1% Saccharose) beimpft
mit einem eisenreduzierenden N-bindenden Stamm von Clostridium butyricum. Experiment und Auf-
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nahme: JCG Ottow
Einbandentwurf:
WMX Design, Heidelberg
Herstellung, Satz und digitale Bildbearbeitung:
Fotosatz-Service Köhler GmbH – Reinhold Schöberl, Würzburg
Gedruckt auf säurefreiem Papier
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Dem Andenken Prof. Dr. phil. Johannes Glathes (1899–2000)
Ein Pionier der Bodenmikrobiologie

Danksagung
Verschiedene Kolleginnen und Kollegen haben einen wertvollen Beitrag zu diesem
Buch geleistet: Sie haben einzelne Kapitel durchgearbeitet und mit Bemerkungen
und Verbesserungsvorschlägen versehen. Auf diese Weise haben sie mir sehr geholfen
und zweifelsfrei zur Qualität dieses Lehrbuches beigetragen. Ich bin Ihnen für die
kritischen Bemerkungen und Ratschläge zu großem Dank verpflichtet und möchte
nicht versäumen, die hilfsbereiten Kolleginnen und Kollegen für Ihre fachliche Unter-
stützung hier namentlich hervorzuheben:
Kap. 1 – Dr. A. Ulrich, Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung ZALF e.V.,
Müncheberg
Kap. 2 – Prof. Dr. R. G. Jörgensen, Universität Kassel, Witzenhausen
Kap. 3 – Prof. Dr. R. Conrad, Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie,
Marburg
Kap. 4 – Frau Prof. Dr. Kornelia Smalla, Julius-Kühn-Institut, Braunschweig
Kap. 5 – Prof. Dr. Dr. h. c. W. Wackernagel, Universität Oldenburg
Kap. 6 und 7 – Prof. Dr.-Ing. Dr. P. Kämpfer, Universität Gießen
Kap. 8 – Prof. Dr. H. J. Prillinger, Universität für Bodenkultur, Wien, Österreich
Kap. 9 – Prof. Dr. A. Hartmann, Helmholtz-Zentrum München/Neuherberg
Kap. 10 – Frau Prof. Dr. Ellen Kandeler, Universität Hohenheim
Kap. 11 – Prof. Dr. Dr. h. c. H. P. Blume, Universität Kiel
Kap. 12 – Prof. Dr. R. Nieder, TU Braunschweig und Prof. Dr. C. Müller, University
College Dublin, Irland (seit Dezember 2009 Universität Gießen)
Kap. 13 – Prof. Dr. M. Becker, Universität Bonn
VIII Danksagung
Kap. 14 – Prof. Dr. J. C. Munch, Helmholtz-Zentrum München/Neuherberg
Kap. 15 – Frau Priv.-Doz. Dr. Birgit Hütsch, Universität Gießen
Kap. 16 – Prof. Dr. D. Steffens, Universität Gießen
Kap. 17 – Dr. E. A. Ottow, BASF AG, Ludwigshafen
Ganz besonders herzlich danken möchte ich Frau Christine Plachta, Institut für Pflan-
zenernährung, Universität Gießen, für die Neuzeichnung von Abbildungen aus Zeit-
schriften und für die übersichtliche Ausfertigung meiner Zeichnungsentwürfe. Ohne
ihre qualifizierte Mitarbeit wäre dieses Buch in der vorliegenden Form nicht zustande
gekommen. Dankend anerkennen möchte ich auch die Hilfe von Frau Dipl. Sprach-
lehrerin Claudia Pfeiffer, Ammenbuch, für die kritische Überprüfung der Interpunk-
tion im Text und für die Formatierung der Manuskripte. Ein herzliches Dankeschön
geht auch an den Kollegen Prof. Dr. W. Foissner, Institut für Zoologie, Universität
Salzburg, Österreich, für die Überlassung einiger seiner schönen Bilder bodenrele-
vanter Protozoen (Kap. 1). Dank auch dem Kollegen Prof. Dr. W. Köhler, Biometrie,
Universität Gießen, für die Durchsicht der mathematischen Kinetik der N-Minerali-
sation in Kap. 12. Nicht zuletzt möchte ich mich ganz herzlich bei meiner Frau Helga
für die verschiedenen sprachlichen Verbesserungen während der sorgfältigen Durch-
sicht der Manuskripte bedanken.
Im Laufe der Jahre haben Studenten und Doktoranden immer wieder kritische
Kommentare und Anregungen zu den Lehrveranstaltungen gegeben, die nunmehr in
irgendeiner Form in dieses Buch mit eingeflossen sind. Diesen „Mitarbeitern“ möchte
ich nachträglich noch einmal meinen herzlichsten Dank aussprechen. „Jeder lebt von
so vielen, ohne es eigentlich zu bemerken“, hat Johann Wolfgang von Goethe einmal
zu Recht bemerkt. Das gilt auch für dieses Buch.
Dem Umfang eines einführenden Buches sind naturgemäß Grenzen gesetzt, sodass
nicht alle wichtigen bodenmikrobiologischen Grundlagen berücksichtigt werden
konnten. Infolgedessen werden Leser unterschiedlicher Fachrichtungen und Schwer-
punkte manchen bodenmikrobiologischen Arbeitsbereich vermissen. Das vorliegende
Buchkonzept entspricht meinen Vorstellungen der bodenmikrobiologischen Grund-
lagen. Auch für eventuelle Fehler im Text bin selbstverständlich ich als Autor ver-
antwortlich. Bekanntlich ist nichts so gut, dass es nicht noch verbessert werden
könnte. Ich würde mich über konstruktive Kritik sehr freuen und bitte Sie um
Ihre Verbesserungs- und Ergänzungsvorschläge. Der Springer-Verlag Heidelberg,
Frau Stefanie Wolf, Postfach 105260, D-69042 Heidelberg, leitet Ihr Schreiben gerne
an mich weiter.
Den Mitarbeitern des Springer-Verlags Heidelberg, insbesondere der Lektorin
Frau Stefanie Wolf und Herrn Dr. D. Czeschlik, Abteilung Lehrbücher Biologie, gilt
mein aufrichtiger Dank für die mehrjährige Betreuung, fruchtbare Zusammenarbeit
und fachliche Unterstützung bei der Abfassung des Manuskriptes.
Reiskirchen, im April 2010 J. C. G. Ottow
Vorwort
Bodenmikrobiologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft mit Mikrobiologie und
Bodenkunde als Eckpfeilern. Sie ist aber auch eine Teildisziplin der wissenschaft-
lichen Ökologie, weil sie die Mikroorganismen in ihren natürlichen Lebensräumen,
den Böden, als Objekte ihrer Forschung und Lehre betrachtet. In dieser Hinsicht un-
terscheidet sich die Bodenmikrobiologie von der mikrobiellen Ökologie.
Böden sind dynamische Produkte komplexer Wechselwirkungen zwischen den bo-
denbewohnenden Organismen (Pflanzen, Mikroorganismen und Tiere), dem vorlie-
genden Ausgangsgestein und dem Klima (Witterungsverlauf). Folglich sind Böden stets
standortspezifisch und zeichen sich durch charakteristische Biozönosen aus. Prozesse
der Bodenbildung sollten infolgedessen nicht ohne das Studium der Boden bewohner
und ihrer zahlreichen ökophysiologischen Aktivitäten und Wechselwirkun gen erforscht
werden. Die Diversität und Abundanz an Mikroorganismen (Bacteria, Archaea, Proto-
zoen), Fungi (Echte Pilze), Myxomyceten, Oomyceten, Algen, Kieselalgen, Rota to rien,
Tardigraden, Oligochaeten, Enchytraeiden, Nematoden, Spinnen, Insekten, Mollusken,
Säugetieren und Viren in der oberen Erdrinde ist gewaltig. Böden sind infolge dessen
Lebensräume par excellence. Es erscheint unvorstellbar, aber in nur einer einzigen
Hand voller guter Ackererde „tummeln“ sich mehr Organismen als es heute Menschen
auf der Erde gibt. Allein die Prokaryoten (Bakterien und Archaeen) in der belebten
Erdrinde stellen etwa 60–70% der gesamten lebendigen Biomasse der Erde. Mikro-
organismen steuern nicht nur die Pedogenese in der Erdrinde, sondern haben sich im
Laufe der Evolution auch in großer Dichte und Diversität an das Leben bis in einer
Gesteins- und Sedimenttiefe von etwa 3 km angepasst.
Unsere Erde ist bis in große Tiefen eine intensiv belebte Kugel morphologischer
Lebensvielfalt und ungeahnten Reichtums an Stoffwechselprozessen. Die meisten
Mikroorganismen sind bis heute weder bekannt noch kultivierbar. Ihre genetische und
funktionelle Diversität übertrifft jede Vorstellungskraft. Erst die Entwicklung neuer
molekularbiologischer Analysemethoden während der letzten 20 Jahre hat der Erfor-
schung dieser unbekannten mikrobiologischen Vielfalt den Weg eröffnet. Die Mikro-
biologie von Böden steht noch am Anfang ihrer Entwicklung. Noch ist die große
genetische Diversität von Böden als Reservoir für biotechnologische Produkte in der
Medizin, Pharmazie, Agrarwirtschaft und Ernährungsindustrie nicht erschlossen wor-
den, doch dürfte die Zeit nicht mehr weit sein. Das Leben in Böden ist die treibende
Kraft sämtlicher stofflicher Umsetzungen und biochemischer Prozesse und ist in fast
jeder Hinsicht omnipotent. Wer daran zweifelt und Böden auf deren Chemie reduziert,
sollte seine Experimente einmal mit sterilen Böden wiederholen.