Informatie

Referentie bodemmicrobiologie


Ik ben op zoek naar een goede referentie over bodemmicrobe-ecologie en biologie. Ik ben een biofysicus en heb de zeer zachte benadering van "Life in the Soil" (James Nardi) gelezen. Een ander boek dat mij is aanbevolen, is "Soil Micro-organismen and Higher Plants: The Classic Text on Living Soils" van Krasil'nikov. Dit vond ik erg moeilijk en ik vroeg me af of er iets moderners was over hetzelfde onderwerp.


De stikstofcyclus (met diagram) | Bodemmicrobiologie

Stikstof vormt het grootste deel van de atmosfeer (78%) evenals de biologische systemen. Verschillende stikstofverbindingen, bijvoorbeeld eiwitten, enzymen, chlorofylen, nucleïnezuren, enz. spelen een vitale rol in de levensprocessen van organismen.

De atmosferische stikstof is chemisch inert en wordt niet direct opgenomen door de meeste levende organismen. Deze laatste zijn daarom voor hun groei afhankelijk van een bron van gecombineerde stikstof of organische stikstofverbindingen.

Ze halen stikstofverbindingen uit de bodem en zetten deze om in essentiële biomoleculen die nodig zijn voor een gezonde ontwikkeling. Bovendien wordt een deel van het grote reservoir van de atmosferische stikstof omgezet in een organische vorm door bepaalde vrij levende micro-organismen en door plant-micro-organisme-associaties die het beschikbaar maken voor de planten.

Dieren halen het uit planten. Het percentage stikstof in de atmosfeer blijft constant door de werking van een stikstofkringloop in de natuur.

Stikstof komt voortdurend in de lucht door de werking van denitrificerende bacteriën en keert voortdurend terug in de cyclus door de werking van stikstofbindende micro-organismen, bliksem en industriële productie van kunstmest.

Deze opeenvolging van veranderingen van vrije atmosferische stikstof naar gefixeerde anorganische stikstof, naar eenvoudige organische verbindingen, naar complexe organische verbindingen in de weefsels van micro-organismen, planten en dieren, en de uiteindelijke afgifte van deze stikstof terug naar atmosferische stikstof, wordt behandeld onder de ‘stikstof cyclus'8217 (Fig. 30.2).

Micro-organismen die een belangrijke rol spelen bij de werking van de stikstofcyclus kunnen worden onderverdeeld in de volgende vier hoofdgroepen:

Die micro-organismen die in staat zijn atmosferische stikstof te fixeren (biologische stikstoffixatie), d.w.z. vrije stikstof te combineren met andere elementen of verbindingen.

Die micro-organismen die de productie van ammoniak teweegbrengen, d.w.z. ammonificatie.

Die micro-organismen die ammoniak oxideren tot nitriet en nitriet tot nitraat, d.w.z. nitrificatie.

Die micro-organismen die in staat zijn nitraten om te zetten in stikstof of lachgas, d.w.z. denitrificatie.

1. Fixatie van vrije stikstof (biologische N2-fixatie):

Van een groot aantal micro-organismen is bekend dat ze het vermogen hebben om atmosferische stikstof te reduceren tot stikstofhoudende verbindingen. Deze omzetting van moleculaire (atmosferische) stikstof in stikstofverbindingen door micro-organismen wordt ‘biologische stikstofbinding’ genoemd.

2. Ammonificatie:

Eiwitten en nucleïnezuren van de dode resten van planten en dieren, en de uitscheidingsproducten van dieren worden afgebroken door micro-organismen waarbij ammoniak vrijkomt. Dit proces wordt ‘ammonificatie’ genoemd.

Twee volgende verschillende stappen zijn betrokken bij ammonificatie:

(ii) Afbraak van aminozuren.

Afbraak van eiwit in zijn eenvoudigere vormen wordt proteolyse genoemd. Een aantal bacteriesoorten, bijv. Clostridium spp. Pseudomonas, Proteus, Bacillus en bodemactinomyceten, en veel schimmels zijn extreem proteolytisch.

Ze scheiden extracellulair enzym af, namelijk '8216proteasen'8217 die het eiwit omzetten in kleinere eenheden (peptiden) die vervolgens worden aangevallen door een ander proteolytisch enzym, namelijk '8216peptidasen'8217, wat uiteindelijk resulteert in het vrijkomen van aminozuren.

Het totale proces kan als volgt in de vorm van reacties worden samengevat:

(ii) Afbraak van aminozuren:

De aminozuren ondergaan nu afbraak door microbiële aanval. Ze worden gedeamineerd (d.w.z. verwijdering van de aminogroep) om ammoniak op te leveren. Micro-organismen vertonen verschillende variaties van deamineringsreacties in de bodem, een van de eindproducten is altijd ammoniak.

3. Nitrificatie:

Ammoniak geproduceerd door de afbraak van mest en organisch materiaal is misschien niet direct beschikbaar, zelfs niet voor planten die het kunnen gebruiken, omdat het gemakkelijk uit de bodem wordt uitgeloogd en meestal wordt omgezet in nitraat met behulp van bepaalde micro-organismen. Deze omzetting (oxidatie) van ammoniak naar nitraat heet '8216nitrificatie'8217. Nitrificatie wordt in twee fasen uitgevoerd door specifieke bacteriën.

(i) Oxidatie van ammoniak tot nitriet:

Nitrosomonas zijn de belangrijkste middelen voor de oxidatie van ammoniak tot nitriet in de bodem. Bovendien is bekend dat bepaalde andere bacteriën, zoals Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira, Nocardia en Streptomyces NH oxideren2naar nitriet.

(ii) Oxidatie van nitriet tot nitraat:

Deze oxidatie van nitriet tot nitraat in de bodem is afhankelijk van de activiteiten van bacteriën die voornamelijk behoren tot de geslachten Nitrobacter. Bovendien is gemeld dat bepaalde schimmels, bijv. Cephalosporium, Aspergillus en Penicillium, in staat zijn nitrificatie uit te voeren. Nitrificatie werd ontdekt als een biologisch proces door Schloesing en Muntz (1877) Winogradsky isoleerde de bacteriën die verantwoordelijk zijn voor biologische nitrificatie in 1890.

4. Denitrificatie:

De omzetting (reductie) van nitraten in stikstofgas of lachgas door bepaalde micro-organismen wordt ‘denitrificatie'8217 genoemd. Dit proces put de bodem uit van een essentiële voedingsstof, de stikstof, voor plantengroei en is daarom niet wenselijk.

Enkele belangrijke micro-organismen die verantwoordelijk zijn voor dit proces zijn Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans en sommige soorten Serratia, Pseudomonas, Bacillus, Achromobacter en Paracoccus. Het proces van denitrificatie wordt voltooid door middel van verschillende stappen in aanwezigheid van '8216reductase'8217 enzymen.

De algemene reactie is als volgt:

Denitrificatie treedt niet in significante mate op in goed beluchte bodems met matige hoeveelheden nitraten en organisch materiaal. Het komt ernstig voor in anaërobe bodems met een hoog gehalte aan organische stof.


Invoering

Gezien hun vaak grote en complexe microbiomen, kunnen bodems worden beschouwd als hotspots voor microbiële biodiversiteit op aarde. Als gevolg hiervan levert de bodem een ​​groot aantal biologische diensten die essentieel zijn voor het leven op aarde, die worden beschouwd als levensondersteunende functies (LSF). Deze LSF omvatten:

Het bieden van "vruchtbare grond" als basis voor een duurzame bio-economie, inclusief de groei van voedsel, voer, vezels en bio-energiegewassen

Het in stand houden van een natuurlijke, onbedreigde plantenbiodiversiteit op locaties die niet worden gebruikt voor landbouwproductie

Het veiligstellen van drinkwater, door verontreinigende stoffen in de bodem te filteren en af ​​te breken voordat ze in het grondwaterlichaam terechtkomen

De bescherming tegen erosie

Het potentieel om te fungeren als een zinkput voor atmosferische CO2.

Bovendien spelen bodems een belangrijke rol als bronnen - of putten - van broeikasgassen zoals CH4, methylbromide en N2O, en landbeheerpraktijken hebben grote invloed op de onderliggende processen (Van Elsas et al. 2007).

Deze multifunctionaliteit van de bodem komt echter sterk in gevaar als gevolg van de voortgaande mondiale verandering. Klimaatverandering leidt niet alleen tot een temperatuurstijging op de lange termijn, maar wordt ook in verband gebracht met een verhoogde frequentie van extreme weersomstandigheden, zoals langdurige droogteperiodes of zware overstromingen. Daarnaast vormen de toegenomen intensiteit van het landgebruik (waardoor bijvoorbeeld overbegrazing en afname van de landbouwproductie), mijnbouw en vervuiling extra uitdagingen. Bovendien verkleinen landgebruikconflicten vaak gebieden met een hoogwaardige bodem als gevolg van verstedelijking en de daarmee gepaard gaande afdekking. De aanhoudende dreiging van bodemdegradatie gedreven door klimatologische en antropogene krachten geeft dus prioriteit aan de ontwikkeling van strikte richtlijnen voor de bescherming van de bodem, zoals onlangs gepromoot door de Europese Unie (www.ec.europa.eu/environment/soil/index_en.htm) . In dit verband is het belang benadrukt van het ontwikkelen van robuuste, betrouwbare en veerkrachtige biologische indicatoren voor het monitoren van de bodemkwaliteit, om een ​​vroegtijdig waarschuwingssysteem op te zetten voor mogelijke verliezen van de multifunctionaliteit van bodems.

Dergelijke indicatoren moeten per definitie gemakkelijk kunnen worden gemeten en nauwkeurig zijn voor het doel waarvoor ze zijn ontwikkeld. Daarnaast zou het voordelig zijn als de kosten laag gehouden worden. Zo zijn er in het verleden verschillende pogingen gedaan om biologische indicatoren van bodemkwaliteit te definiëren, voornamelijk gericht op de "zichtbare" delen van de bodembiota, d.w.z. de bodemmacrofauna (Stott et al. 2009). Terwijl dergelijke indicatoren inderdaad goed ingeburgerd zijn geraakt en hun weg hebben gevonden in verschillende richtlijnen (bijv. de abundantie en/of diversiteit van regenwormen of van nematoden (ISO 11268)), indicatoren die de status van het bodemmicrobioom (of van de microbiële sleutel) beschrijven spelers) zijn nog steeds zeldzaam. De momenteel bestaande indicatoren zijn meestal gebaseerd op zogenaamde som- of black-boxparameters, zoals geïllustreerd door traditionele parameters zoals microbiële biomassa, globale of potentiële microbiële activiteitspatronen of testen die potentiële enzymatische activiteiten bepalen (Nannipieri et al. 2003 zie ook Tabel 1 ). Bijvoorbeeld van de tien indicatoren die door Andrews et al. worden gebruikt om de bodemkwaliteit te evalueren. (2004), slechts twee (microbiële biomassa C en potentiële N-mineralisatie) hebben betrekking op microbiologische bodemeigenschappen. Onlangs is een alternatief voorgesteld, gebaseerd op het gebruik van specifieke verhoudingen die rapporteren over functie. Zo is het metabolische quotiënt (C-CO2/microbiële biomassa C) of de verhouding tussen enzymactiviteit en microbiële biomassa in beeld gekomen (Nannipieri et al. 2003, 2012). Er is echter nog steeds een gebrek aan nadruk op microbiologische processen in de bodem, wat ook duidelijk wordt wanneer methoden voor het analyseren van de bodemkwaliteit, zoals gestandaardiseerd door ISO, worden overwogen (https://www.iso.org/committee/54366/x/catalogue /voltooid). Van de 52 voorgestelde methoden gebruiken de meeste aspecten van de bodemmacrofauna en/of van planten als kwaliteitsindicatoren. Ook bevatten 13 nieuwe methoden die recentelijk worden ontwikkeld, geen hulpmiddelen om het bodemmicrobioom en zijn functionele eigenschappen te analyseren. Het is echter bemoedigend om op te merken dat ISO-norm 17601:2016, van december 2016, nu methoden beschrijft die gericht zijn op het bepalen van de overvloed aan geselecteerde microbiële gensequenties door kwantitatieve PCR met behulp van bodemmicrobioom-DNA (https://www.iso.org /commissie/54366/x/catalogus/voltooid). Een generiek overzicht van dergelijke methoden, inclusief hun fijne kneepjes, is weergegeven in Tabel 1. De selectie van eigenschappen blijft echter achter bij deze ontwikkeling. Daarom, rekening houdend met het belang van het bodemmicrobioom voor de meeste bodem-LSF's, is er een sterke behoefte om nieuwe, op eigenschappen gebaseerde indicatoren te implementeren die dergelijke LSF's monitoren.

In dit opiniestuk gaan we in op hoe methodologische ontwikkelingen in de afgelopen decennia onze kijk op de 'levende bodem' hebben radicaal veranderd en hoe deze kennis kan worden gebruikt voor de ontwikkeling van verbeterde indicatoren voor bodemkwaliteit. We definiëren bodemkwaliteit als "het vermogen van een bodem om binnen de grenzen van ecosystemen te functioneren om de biologische productiviteit in stand te houden, de kwaliteit van het milieu te behouden en de gezondheid van planten en dieren te bevorderen" (Doran en Parkin 1994). Op basis van deze definitie zullen we stappen presenteren om een ​​raamwerk te ontwikkelen waarin het concept van een "normaal werkbereik" (Pereira e Silva et al. 2012 Semenov et al. 2014) van bodems wordt aangepakt, zoals bepaald door het microbioom en de bodem voorwaarden.


Referentie bodemmicrobiologie - Biologie

Autisme en andere neurologische aandoeningen: ontdekking van nieuwe fenotypen

Pathogene schimmels bij de mens: nieuwe moleculaire mechanismen en interacties tussen soorten identificeren

Verbeter uw identificatie van filamenteuze schimmels

Biolog is verheugd om MitoPlates te lanceren!

Getuigenis

We gebruiken het Biolog Gen III Microstation nu al meer dan 2 jaar in onze Microbiology Lab-cursus voor majors. Het is een van de meest populaire labs onder studenten. We gebruiken het om onbekenden te identificeren na enkele weken traditionele mediatests te hebben gebruikt. Studenten staan ​​versteld van de snelle doorlooptijd en de grote hoeveelheid gegevens die door de test worden geproduceerd.

In onze op microbiologie gebaseerde onderzoekscursussen gebruiken studenten Biolog als aanvulling op andere bacteriële identificatiemethoden. Dit versterkt het voordeel van het gebruik van meerdere bewijslijnen om conclusies op basis van wetenschappelijke resultaten te versterken. Plus Biolog is leuk en gemakkelijk te gebruiken!

Ik ben deze zomer begonnen met het gebruik van de Ecoplates en ik ben best tevreden met de resultaten. Ik moet nog steeds de volledige data-analyse uitvoeren om meer informatie te verkrijgen, maar wat ik zag in termen van kleurpatronen op verschillende sites lijkt veelbelovend. Op basis van de resultaten van de volledige data-analyse zullen we ons protocol ontwikkelen om het toe te passen op een cursus die we hier geven.

We hebben een paar maanden Biolog Omnilog® Microbacteria-identificatie gebruikt. Tot mijn verbazing verminderde het onze belasting drastisch door tot 50 bacteriemonsters tegelijkertijd te analyseren. Het kan de platen automatisch analyseren in een bepaalde periode en de onbewerkte gegevens registreren. Het apparaat houdt ook de optimale parameter aan voor de beste incubatietemperatuur. Bovendien is de software gebruiksvriendelijk en is het experiment eenvoudig uit te voeren. We houden zo veel van Biolog Omnilog®!!

We gebruiken de Biolog Gen III OmniLog® en MicroStation™ nu al meer dan 2 jaar in onze Microbiology Lab-cursus voor majors. We gebruiken het om onbekenden van onze reguliere milieustudies en watertests te identificeren na enkele weken van het gebruik van traditionele mediatests. We zijn zeer verbaasd over de snelle doorlooptijd en de grote hoeveelheid gegevens die door de test worden geproduceerd. Dit is een zeer snel en nauwkeurig identificatiesysteem. Een van de beste instrumenten met conformiteit FDA's 21 CFR Part 11. OmniLog® ID-systeem automatiseert het proces van microbiële identificatie volledig door de resultaten te incuberen, te lezen en te interpreteren.

We gebruiken de Microstation™ Biolog Gen III en de Omnilog® al meer dan 2 jaar in onze microbiologische analyses, in het Microbiology and Molecular Biology Laboratory van de National Fisheries Health Agency (Peruaanse gezondheidsautoriteit voor hydrobiologische hulpbronnen en producten), die is geaccrediteerd met de NTP-ISO / IEC 17025: 2017. We gebruiken het om bacteriestammen van het geslacht Salmonella te identificeren en te bevestigen, naast het detecteren van micro-organismen die traditionele biochemie met zeer lange leestijden omvatten. Onderzoekers zijn verrast door de snelle reactie en de grote hoeveelheid gegevens die door analytische tests worden geproduceerd.

Hierbij willen we vermelden dat we de Microstation Biolog Gen III gedurende meer dan 5 jaar in ons microbiologisch laboratorium hebben gebruikt voor de ontwikkeling van projecten en onderzoek. Het is een van de belangrijkste laboratoria van de afdeling op het gebied van microbiologie en biotechnologie. De Biolog-apparatuur wordt gebruikt voor de identificatie van aërobe en anaërobe bacteriën, gisten en schimmels, die belangrijk zijn in de olie- en gasindustrie, waardoor we onze processen kunnen optimaliseren en meer informatie kunnen verkrijgen over de micro-organismen die worden bestudeerd met resultaten van hoge kwaliteit.

Hierbij willen we vermelden dat we het GEN III Microstation in ons fytopathologisch laboratorium al meer dan zes jaar gebruiken voor de ontwikkeling en toepassing van analytische methoden ter ondersteuning van de bepaling van fytopathogene bacteriën ter ondersteuning van onze missie. De Biolog-apparatuur wordt gebruikt voor de identificatie van aërobe en anaërobe bacteriën die van belang zijn bij het ontstaan ​​van ziekten van landbouwgewassen, waardoor we effectiever en efficiënter kunnen reageren op nieuwe vereisten en meer informatie kunnen verkrijgen over de micro-organismen die worden bestudeerd met resultaten van hoge kwaliteit.

We gebruiken het Biolog-systeem om Gram-positieve en negatieve bacteriën te identificeren sinds de lancering in 1989. Er is veel vooruitgang geboekt met de GENIII-database, er is veel aan toegevoegd. Nu hebben we besloten om het complete en geautomatiseerde systeem in het Agronômica-laboratorium te gebruiken. We zijn ervan overtuigd dat de Biolog-oplossing een hogere capaciteit biedt om alle soorten organismen te identificeren. De mogelijkheid om nieuwe interessante soorten op te nemen is verbazingwekkend. Het vergroot de reikwijdte van identificatiediensten, vergemakkelijkt en verbetert het gebruik ervan bij de fytosanitaire diagnose, bij de karakterisering van biologische plaagbestrijdingsmiddelen, in de bodemmicrobiologie en nog veel meer. Biolog: Snelheid, accuraatheid en kwaliteit. Alles wat een laboratorium als dat van Agronômica wenst.

Ik gebruik het Biolog Gen III Microstation sinds 2014 in mijn onderzoekslaboratorium voor milieugezondheid en microbiologie. Het is een zeer waardevol hulpmiddel, gemakkelijk te gebruiken en erg populair onder mijn afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten. We gebruiken het om ons te helpen bij de milieubeoordelingen die deel uitmaken van mijn onderzoek. Studenten zijn gefascineerd door hoe snel, gemakkelijk en de hoeveelheid nuttige gegevens die door de test worden verzameld, voor de onderzoekstraining, scriptie of proefschriften en zelfs peer review-publicaties, ontwikkeld in het laboratorium.

We gebruiken Biolog sinds 2014 voor microbiële identificatie en fenotyperingsexperimenten. We hebben microbiële identificatiediensten geleverd, die de problemen van het onvermogen van klanten om het metabolisme en de bacteriesoortnaam te bepalen vanwege de beperkingen van traditionele identificatiemethoden, hebben opgelost. We hebben fenotypische analyses uitgevoerd van wildtype bacteriën en geëvolueerde stammen, fenotypische gistanalyse-experimenten voor docenten van andere eenheden, en onderzoekspapers gepubliceerd in Nature: Creating a functional single-chromosomegist https://pubmed.ncbi.nlm.nih. regering/30069045/

De toepassing van Biolog in dit onderzoeksinstituut was microbiële identificatie van verschillende soorten micro-organismen en fenotypevergelijking tussen type en hoogproductieve stam, voornamelijk koolstof- en stikstofbronnen, om de hoogproductieve reden en de kenmerken van de hoogproductieve stam te bevestigen . Substraatprofilering en tolerantietesten van Halomonas TD01 suggereren de mogelijke toepassing ervan in duurzame productie van chemicaliën, Journal of Biotechnology 316 (2020)

Het gebruik van fenotypische analyse om het metabolische netwerkmodel op stamgenoomschaal te kalibreren, gepubliceerd: A consensus S. cerevisiae metabolic model Yeast8 and its ecosystem for uitvoerig sondering van cellulair metabolisme

Deze eenheid gebruikt sinds 2014 Biolog-instrumenten en microtiterplaten voor wetenschappelijk onderzoek om microbiële stammen te identificeren tegen isolaten van een verscheidenheid aan door voedsel overgedragen pathogene bacteriën en schimmels uit verschillende bronnen, om high-throughput fenotyperingsstudies uit te voeren voor belangrijke door voedsel overgedragen pathogenen micro-organismen waar het laboratorium zich zorgen over maakt, om de fenotypische verschillen van bacteriën op verschillende substraten in verschillende groeitoestanden en verschillende omgevingen te verkrijgen, om de metabolische kenmerken van stammen te begrijpen en om het mechanisme van bacteriële metabolismeverschillen in combinatie met transcriptomics of metabolomics te onderzoeken. Het combineren van genomica- en fenotyperingsgegevens om de relatie tussen genoomveranderingen en fenotypische verschillen, zoals bacteriële resistentie en substraatmetabolisme, te onderzoeken.


HOE VERSCHILLEN VOEDSELWEBS?

Elk veld, bos of grasland heeft een uniek bodemvoedselweb met een bepaald aandeel bacteriën, schimmels en andere groepen, en een bepaald niveau van complexiteit binnen elke groep organismen. Deze verschillen zijn het resultaat van bodem-, vegetatie- en klimaatfactoren, evenals landbeheerpraktijken.

Typische voedselwebstructuren

De "structuur" van een voedselweb is de samenstelling en het relatieve aantal organismen in elke groep binnen het bodemsysteem. Elk type ecosysteem heeft een kenmerkende voedselwebstructuur. Enkele kenmerken van voedselwebstructuren zijn:

  • De verhouding schimmels tot bacteriën is kenmerkend voor het type systeem. Graslanden en landbouwbodems hebben meestal door bacteriën gedomineerde voedselwebben - dat wil zeggen, de meeste biomassa is in de vorm van bacteriën. Zeer productieve landbouwbodems hebben meestal een verhouding van schimmel tot bacteriële biomassa van bijna 1:1 of iets minder. Bossen hebben meestal door schimmels gedomineerde voedselwebben. De verhouding van schimmel tot bacteriële biomassa kan 5:1 tot 10:1 zijn in een loofbos en 100:1 tot 1000:1 in een naaldbos.
  • Organismen weerspiegelen hun voedselbron. Protozoa zijn bijvoorbeeld overvloedig waar bacteriën overvloedig zijn. Waar bacteriën domineren over schimmels, zijn nematoden die bacteriën eten talrijker dan nematoden die schimmels eten.
  • Managementpraktijken veranderen voedselwebben. In landbouwsystemen met beperkte grondbewerking neemt bijvoorbeeld de verhouding tussen schimmels en bacteriën in de loop van de tijd toe en komen regenwormen en geleedpotigen in overvloed voor.

Hoe wordt het voedselweb gemeten?

De meettechnieken die worden gebruikt om een ​​voedselweb te karakteriseren zijn onder meer:

Tellen . Organismegroepen, zoals bacteriën, protozoa, geleedpotigen, enz. of subgroepen, zoals bacterievoedend, schimmelvoedend en roofaaltjes, worden geteld en kunnen via berekeningen worden omgezet in biomassa.

  • Directe tellingen - individuele organismen tellen met het blote oog of met een microscoop. Alle organismen kunnen worden geteld, of alleen de actieve die een fluorescerende vlek opnemen.
  • Plaattellingen - het tellen van het aantal bacterie- of schimmelkolonies dat uit een bodemmonster groeit.

Het meten van activiteitsniveaus. Activiteit wordt bepaald door het meten van de hoeveelheid bijproducten, zoals CO2, die in de bodem worden gegenereerd, of het verdwijnen van stoffen, zoals plantenresten of methaan die worden gebruikt door een groot deel van de gemeenschap of door specifieke groepen organismen.

Deze metingen weerspiegelen het totale "werk" dat de gemeenschap kan doen. De totale biologische activiteit is de som van de activiteiten van alle organismen, hoewel slechts een deel op een bepaald moment actief is.

  • Ademhaling - CO2-productie meten. Deze methode maakt geen onderscheid welke organismen (planten, ziekteverwekkers of andere bodemorganismen) de CO2 genereren.
  • Nitrificatiesnelheden - meten van de activiteit van de soorten die betrokken zijn bij de omzetting van ammonium in nitraat.
  • Ontledingssnelheden - meten van de snelheid van verdwijning van organische resten of gestandaardiseerde katoenen strips.

Het meten van cellulaire bestanddelen. De totale biomassa van alle bodemorganismen of specifieke kenmerken van de gemeenschap kan worden afgeleid door het meten van componenten van bodemorganismen zoals de volgende.

  • Biomassa koolstof, stikstof of fosfor - meet de hoeveelheid voedingsstoffen in levende cellen, die vervolgens kunnen worden gebruikt om de totale biomassa van organismen te schatten. Begassing met chloroform is een veelgebruikte methode om de hoeveelheid koolstof of stikstof in alle bodemorganismen te schatten.
  • Enzymen - meet enzymen in levende cellen of vastgehecht aan de bodem. Testen kunnen worden gebruikt om potentiële activiteit te schatten of om de biologische gemeenschap te karakteriseren.
  • Fosfolipiden en andere lipiden - zorgen voor een "vingerafdruk" van de gemeenschap en kwantificeren van de biomassa van groepen zoals schimmels of actinomyceten.
  • DNA en RNA - zorgen voor een "vingerafdruk" van de gemeenschap en kunnen de aanwezigheid van specifieke soorten of groepen detecteren.

Wat is complexiteit?

De complexiteit van het voedselweb is een factor van zowel het aantal soorten als het aantal verschillende soorten in de bodem. Een bodem met tien soorten bacterievoedende nematoden is bijvoorbeeld minder complex dan een grond met tien aaltjessoorten, waaronder bacterievoeders, schimmelvoeders en roofaaltjes.

De complexiteit kan gedeeltelijk worden bepaald aan de hand van een voedselwebdiagram zoals in de onderstaande afbeelding, dat de bodem in een oud Douglas-sparrenbos weergeeft. Elke doos van het voedselwebdiagram vertegenwoordigt een functionele groep organismen die vergelijkbare rollen vervullen in het bodemsysteem. Overdrachten van energie worden weergegeven door de pijlen in het diagram en vinden plaats wanneer het ene organisme een ander eet. Complexe ecosystemen hebben meer functionele groepen en meer energieoverdrachten dan eenvoudige ecosystemen.

Het aantal functionele groepen dat energie omzet voordat de energie het bodemsysteem verlaat, verschilt (en karakteristiek) voor elk ecosysteem. In het Douglas-spar-systeem kan energie meer dan twintig overdrachten ondergaan van organisme naar organisme, of tussen functionele groepen. Daarentegen is het niet waarschijnlijk dat een grot of een systeem met weinig residu aan de rechterkant van een bodemvoedselwebdiagram een ​​grote verscheidenheid aan hogere roofdieren bevat. Energie en voedingsstoffen zullen door minder soorten organismen worden gecirculeerd.

Landbeheerpraktijken kunnen het aantal functionele groepen - of complexiteit - in de bodem veranderen. Intensief beheerde systemen, zoals akkerland, hebben een gevarieerd aantal functionele groepen. Gewasselecties, grondbewerkingspraktijken, residubeheer, gebruik van pesticiden en irrigatie veranderen de habitat voor bodemorganismen en daarmee de structuur en complexiteit van het voedselweb.

Voordelen van complexiteit

Biologische complexiteit van een bodemsysteem kan van invloed zijn op processen zoals nutriëntenkringloop, de vorming van bodemstructuur, plaagcycli en afbraaksnelheden. Onderzoekers moeten nog bepalen hoeveel en wat voor soort voedselwebcomplexiteit in beheerde ecosystemen optimaal is voor deze bodemprocessen.

Nutriënten fietsen . Wanneer organismen voedsel consumeren, creëren ze meer van hun eigen biomassa en geven ze afvalstoffen af. De belangrijkste afvalstof voor de gewasgroei is ammonium (NH4+). Ammonium en andere gemakkelijk te gebruiken voedingsstoffen worden snel opgenomen door andere organismen, waaronder plantenwortels. Wanneer er een grote verscheidenheid aan organismen aanwezig is, kunnen voedingsstoffen sneller en vaker wisselen tussen vormen die planten wel en niet kunnen gebruiken.

Nutriëntenretentie. Naast het mineraliseren of afgeven van stikstof aan planten, kan het bodemvoedselweb stikstof immobiliseren of vasthouden wanneer planten niet snel groeien. Stikstof in de vorm van organische stof in de bodem en biomassa van organismen is minder mobiel en gaat minder snel verloren uit de wortelzone dan anorganisch nitraat (NO3 - ) en ammonium (NH4+).

Verbeterde structuur, infiltratie en waterhoudend vermogen . Veel bodemorganismen zijn betrokken bij de vorming en stabiliteit van bodemaggregaten. Bacteriële activiteit, organisch materiaal en de chemische eigenschappen van kleideeltjes zijn verantwoordelijk voor het maken van microaggregaten uit individuele bodemdeeltjes. Regenwormen en geleedpotigen consumeren kleine aggregaten van minerale deeltjes en organisch materiaal en genereren grotere fecale pellets die zijn bedekt met verbindingen uit de darm. Deze fecale korrels worden onderdeel van de bodemstructuur. Schimmelhyfen en wortelharen binden samen en helpen grotere aggregaten te stabiliseren. Verbeterde aggregaatstabiliteit, samen met de holen van regenwormen en geleedpotigen, verhoogt de porositeit, waterinfiltratie en waterhoudend vermogen.

Ziekteonderdrukking . Een complex bodemvoedselweb bevat tal van organismen die kunnen concurreren met ziekteverwekkende organismen. Deze concurrenten kunnen voorkomen dat bodempathogenen zich vestigen op plantoppervlakken, voorkomen dat ziekteverwekkers voedsel krijgen, zich voeden met ziekteverwekkers of metabolieten genereren die giftig zijn voor ziekteverwekkers of deze remmen.

Afbraak van verontreinigende stoffen. Een belangrijke rol van de bodem is het zuiveren van water. Een complex voedselweb omvat organismen die een breed scala aan verontreinigende stoffen consumeren (afbreken) onder een breed scala van omgevingsomstandigheden.

Biodiversiteit . Een grotere complexiteit van het voedselweb betekent een grotere biodiversiteit. Biodiversiteit wordt gemeten door het totale aantal soorten, evenals de relatieve abundantie van deze soorten, en het aantal functionele groepen van organismen.

Beheer en bodemgezondheid

Een gezonde bodem ondersteunt de plantengroei effectief, beschermt de lucht- en waterkwaliteit en zorgt voor de gezondheid van mens en dier. De fysieke structuur, chemische samenstelling en biologische componenten van de bodem bepalen samen hoe goed een bodem deze diensten verricht.

In elk gezond systeem of stroomgebied is het bodemvoedselweb van cruciaal belang voor belangrijke bodemfuncties, waaronder:

  • het ondersteunen van biologische activiteit, diversiteit en productiviteit
  • het reguleren van de waterstroom en opgeloste voedingsstoffen
  • het opslaan en circuleren van voedingsstoffen en andere elementen en
  • filteren, bufferen, afbreken, immobiliseren en ontgiften van organische en anorganische materialen die potentiële vervuilers zijn.

De interacties tussen organismen versterken veel van deze functies.

Succesvol landbeheer vereist benaderingen die alle hulpbronnen beschermen, inclusief bodem, water, lucht, planten, dieren en mensen. Veel beheerstrategieën veranderen bodemhabitats en het voedselweb, en veranderen de bodemkwaliteit, of het vermogen van de bodem om zijn functies uit te voeren. Voorbeelden van enkele praktijken die de complexiteit en gezondheid van de bodemgemeenschap veranderen, zijn onder meer:

  • Vergeleken met een veld met een 2-jarige vruchtwisseling, kan een veld met 4 gewassen die in wisselstroom worden geteeld, een grotere verscheidenheid aan voedselbronnen hebben (dwz wortels en oppervlakteresten), en daarom waarschijnlijk meer soorten bacteriën, schimmels bevatten. en andere organismen.
  • Een netjes bewerkt veld met weinig begroeide randen heeft mogelijk minder leefgebieden voor geleedpotigen dan een veld dat wordt onderbroken door met gras begroeide waterwegen, terrassen of rijen hekken.
  • Hoewel het effect van pesticiden op bodemorganismen varieert, zal een hoog gebruik van pesticiden over het algemeen de complexiteit van het voedselweb verminderen. Een extreem voorbeeld is het herhaalde gebruik van methylbromide waarvan is waargenomen dat het de meeste bodemorganismen elimineert, behalve enkele bacteriesoorten.

Het voedselweb en koolstofvastlegging

Landbeheerpraktijken kunnen worden gekozen om de hoeveelheid koolstof die wordt vastgelegd als organische stof in de bodem te vergroten en de hoeveelheid CO2, een broeikasgas, die in de atmosfeer vrijkomt, te verminderen.

Terwijl het bodemvoedselweb organisch materiaal afbreekt, geeft het koolstof af in de atmosfeer als CO2 of zet het om in verschillende vormen van organisch bodemmateriaal. Labiele of actieve fracties van organische stof blijven enkele jaren in de bodem. Stabiele vormen blijven tientallen of honderden jaren in de bodem. Fysiek gestabiliseerd organisch materiaal wordt beschermd in bodemaggregaten die bodemorganismen helpen creëren. Bevochtigde organische stof is stabiel omdat bacteriën en schimmels hebben geholpen bij het vormen van moleculen die te complex en te groot zijn voor bodemorganismen om te ontleden.

Ergens naar uitkijken

De functies van het voedselweb zijn essentieel voor de plantengroei en de kwaliteit van het milieu. Goed beheer van hulpbronnen zal voedselwebbevorderende strategieën integreren in de reguliere activiteiten van boerderijen, ranches, bossen of in achtertuinen. Het benodigde onderzoek zal de functies van het voedselweb binnen hele systemen onderzoeken en de technologieontwikkeling ondersteunen. Er zal technologie worden ontwikkeld om de functies van bodemvoedselwebben te beoordelen en te onderhouden om landbeheerders en onderzoekers te helpen bij hun streven naar bodemproductiviteit en rentmeesterschap. De komende jaren kunnen we vooruitgang verwachten bij het beantwoorden van bodembiologische vragen zoals de volgende.

Wat is een gezond voedselweb? Welke metingen of waarnemingen kunnen worden gebruikt om te bepalen of een bepaalde biologische gemeenschap wenselijk is voor het beoogde landgebruik? Welk niveau van complexiteit is optimaal voor zeer productieve en duurzame gewassen, gebieden of bosgebieden?

Is het nuttiger om soorten of soorten organismen te tellen? De Bodembiologie Primer verdeelt voedselweborganismen in zes groepen. Achieving an optimal balance of these groups is one approach to managing the food web. Alternatively, identifying the species and complexity present within a group may provide other useful information about the health and productive potential of a soil.

How should the biology of the soil be managed? In the future, land managers may be able to more precisely predict the effect of management decisions such as the timing of tillage, the application of a certain kind of compost, or the use of a particular pesticide. They may choose practices with the intent of making specific changes to the composition of the soil food web.

What are the costs and benefits of managing for soil biological functions? The costs to achieve a highly diverse, or complex, soil community need to be identified. These can be compared to the benefits of biological services provided, such as nutrient cycling, disease suppression, and soil structure enhancement.


THE LIVING SOIL: BACTERIA

Bacteria are tiny, one-celled organisms &ndash generally 4/100,000 of an inch wide (1 µm) and somewhat longer in length. What bacteria lack in size, they make up in numbers. A teaspoon of productive soil generally contains between 100 million and 1 billion bacteria. That is as much mass as two cows per acre.

A ton of microscopic bacteria may be active in each acre of soil.

Credit: Michael T. Holmes, Oregon State University, Corvallis. Please contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Bacteria dot the surface of strands of fungal hyphae.

Credit: R. Campbell. In R. Campbell. 1985. Plant Microbiology. Edward Arnold London. P. 149. Reprinted with the permission of Cambridge University Press. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Bacteria fall into four functional groups. Most are decomposers that consume simple carbon compounds, such as root exudates and fresh plant litter. By this process, bacteria convert energy in soil organic matter into forms useful to the rest of the organisms in the soil food web. A number of decomposers can break down pesticides and pollutants in soil. Decomposers are especially important in immobilizing, or retaining, nutrients in their cells, thus preventing the loss of nutrients, such as nitrogen, from the rooting zone.

A second group of bacteria are the mutualists that form partnerships with plants. The most well-known of these are the nitrogen-fixing bacteria. The third group of bacteria is the pathogens. Bacterial pathogens include Xymomonas en Erwinia species, and species of Agrobacterium that cause gall formation in plants. A fourth group, called lithotrophs of chemoautotrofen, obtains its energy from compounds of nitrogen, sulfur, iron or hydrogen instead of from carbon compounds. Some of these species are important to nitrogen cycling and degradation of pollutants.

What Do Bacteria Do?

Bacteria from all four groups perform important services related to water dynamics, nutrient cycling, and disease suppression. Some bacteria affect water movement by producing substances that help bind soil particles into small aggregates (those with diameters of 1/10,000-1/100 of an inch or 2-200µm). Stable aggregates improve water infiltration and the soil&rsquos water-holding ability. In a diverse bacterial community, many organisms will compete with disease-causing organisms in roots and on aboveground surfaces of plants.

A Few Important Bacteria

Nitrogen-fixing bacteria form symbiotic associations with the roots of legumes like clover and lupine, and trees such as alder and locust. Visible nodules are created where bacteria infect a growing root hair. The plant supplies simple carbon compounds to the bacteria, and the bacteria convert nitrogen (N2) from air into a form the plant host can use. When leaves or roots from the host plant decompose, soil nitrogen increases in the surrounding area.

Nitrifying bacteria change ammonium (NH4+) to nitrite (NO2-) then to nitrate (NO3-) &ndash a preferred form of nitrogen for grasses and most row crops. Nitrate is leached more easily from the soil, so some farmers use nitrification inhibitors to reduce the activity of one type of nitrifying bacteria. Nitrifying bacteria are suppressed in forest soils, so that most of the nitrogen remains as ammonium.

Denitrifying bacteria convert nitrate to nitrogen (N2) or nitrous oxide (N2O) gas. Denitrifiers are anaerobic, meaning they are active where oxygen is absent, such as in saturated soils or inside soil aggregates.

Actinomyceten are a large group of bacteria that grow as hyphae like fungi. They are responsible for the characteristically &ldquoearthy&rdquo smell of freshly turned, healthy soil. Actinomycetes decompose a wide array of substrates, but are especially important in degrading recalcitrant (hard-to-decompose) compounds, such as chitin and cellulose, and are active at high pH levels. Fungi are more important in degrading these compounds at low pH. A number of antibiotics are produced by actinomycetes such as Streptomyces.

Nodules formed where Rhizobium bacteria infected soybean roots.

Credit: Stephen Temple, New Mexico State University. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Actinomycetes, such as this Streptomyces, give soil its "earthy" smell.

Credit: No. 14 from Soil Microbiology and Biochemistry Slide Set. 1976. J.P. Martin, et al., eds. SSSA, Madison, WI. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Where Are Bacteria?

Various species of bacteria thrive on different food sources and in different microenvironments. In general, bacteria are more competitive when labile (easy-to-metabolize) substrates are present. This includes fresh, young plant residue and the compounds found near living roots. Bacteria are especially concentrated in the rhizosphere, the narrow region next to and in the root. There is evidence that plants produce certain types of root exudates to encourage the growth of protective bacteria.

Bacteria alter the soil environment to the extent that the soil environment will favor certain plant communities over others. Before plants can become established on fresh sediments, the bacterial community must establish first, starting with photosynthetic bacteria. These fix atmospheric nitrogen and carbon, produce organic matter, and immobilize enough nitrogen and other nutrients to initiate nitrogen cycling processes in the young soil. Then, early successional plant species can grow. As the plant community is established, different types of organic matter enter the soil and change the type of food available to bacteria. In turn, the altered bacterial community changes soil structure and the environment for plants. Some researchers think it may be possible to control the plant species in a place by managing the soil bacteria community.

Bug Biography: Bacteria That Promote Plant Growth

By Ann Kennedy, USDA Agricultural Research Service, Pullman, WA

Certain strains of the soil bacteria Pseudomonas fluorescens have anti-fungal activity that inhibits some plant pathogens. P. fluorescens and other Pseudomonas and Xanthomonas species can increase plant growth in several ways. They may produce a compound that inhibits the growth of pathogens or reduces invasion of the plant by a pathogen. They may also produce compounds (growth factors) that directly increase plant growth.

These plant growth-enhancing bacteria occur naturally in soils, but not always in high enough numbers to have a dramatic effect. In the future, farmers may be able to inoculate seeds with anti-fungal bacteria, such as P. fluorescens, to ensure that the bacteria reduce pathogens around the seed and root of the crop.


SOIL BIOLOGY AND THE LANDSCAPE

An incredible diversity of organisms make up the soil food web. They range in size from the tiniest one-celled bacteria, algae, fungi, and protozoa, to the more complex nematodes and micro-arthropods, to the visible earthworms, insects, small vertebrates, and plants.

As these organisms eat, grow, and move through the soil, they make it possible to have clean water, clean air, healthy plants, and moderated water flow.

There are many ways that the soil food web is an integral part of landscape processes. Soil organisms decompose organic compounds, including manure, plant residue, and pesticides, preventing them from entering water and becoming pollutants. They sequester nitrogen and other nutrients that might otherwise enter groundwater, and they fix nitrogen from the atmosphere, making it available to plants. Many organisms enhance soil aggregation and porosity, thus increasing infiltration and reducing runoff. Soil organisms prey on crop pests and are food for above-ground animals.

The soil environment. Organisms live in the microscale environments within and between soil particles. Differences over short distances in pH, moisture, pore size, and the types of food available create a broad range of habitats.

Credit: S. Rose and E.T. Elliott. Please contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

The Food Web: Organisms and Their Interaction

The soil food web is the community of organisms living all or part of their lives in the soil. A food web diagram shows a series of conversions (represented by arrows) of energy and nutrients as one organism eats another.

All food webs are fueled by the primary producers: the plants, lichens, moss, photosynthetic bacteria, and algae that use the sun's energy to fix carbon dioxide from the atmosphere. Most other soil organisms get energy and carbon by consuming the organic compounds found in plants, other organisms, and waste by-products. A few bacteria, called chemoautotrophs, get energy from nitrogen, sulfur, or iron compounds rather than carbon compounds or the sun.

As organisms decompose complex materials, or consume other organisms, nutrients are converted from one form to another, and are made available to plants and to other soil organisms. All plants - grass, trees, shrubs, agricultural crops - depend on the food web for their nutrition.

What Do Soil Organisms Do?

Growing and reproducing are the primary activities of all living organisms. As individual plants and soil organisms work to survive, they depend on interactions with each other. By-products from growing roots and plant residue feed soil organisms. In turn, soil organisms support plant health as they decompose organic matter, cycle nutrients, enhance soil structure, and control the populations of soil organisms including crop pests.

Organic Matter Fuels the Food Web

Organic matter is many different kinds of compounds - some more useful to organisms than others. In general, soil organic matter is made of roughly equal parts humus and active organic matter. Active organic matter is the portion available to soil organisms. Bacteria tend to use simpler organic compounds, such as root exudates or fresh plant residue. Fungi tend to use more complex compounds, such as fibrous plant residues, wood and soil humus.

Intensive tillage triggers spurts of activity among bacteria and other organisms that consume organic matter (convert it to CO2), depleting the active fraction first. Practices that build soil organic matter (reduced tillage and regular additions of organic material) will raise the proportion of active organic matter long before increases in total organic matter can be measured. As soil organic matter levels rise, soil organisms play a role in its conversion to humus - a relatively stable form of carbon sequestered in soils for decades or even centuries.

Soil organic matter is the storehouse for the energy and nutrients used by plants and other organisms. Bacteria, fungi, and other soil dwellers transform and release nutrients from organic matter. These microshredders, immature oribatid mites, skeletonize plant leaves. This starts the nutrient cycling of carbon, nitrogen, and other elements.

Credit: Roy A. Norton, College of Environmental Science & Forestry, State University of New York. Please contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Food Sources for Soil Organisms

"Soil organic matter" includes all the organic substances in or on the soil. Here are terms used to describe different types of organic matter.

  • Living organisms: Bacteria, fungi, nematodes, protozoa, earthworms, arthropods, and living roots.
  • Dead plant material organic material detritus surface residue: All these terms refer to plant, animal, or other organic substances that have recently been added to the soil and have only begun to show signs of decay. Detritivores are organisms that feed on such material.
  • Active fraction organic matter: Organic compounds that can be used as food by microorganisms. The active fraction changes more quickly than total organic matter in response to management changes.
  • Labile organic matter: Organic matter that is easily decomposed.
  • Root exudates: Soluble sugars, amino acids and other compounds secreted by roots.
  • Particulate organic matter (POM) or Light fraction (LF) organic matter: POM and LF have precise size and weight definitions. They are thought to represent the active fraction of organic matter which is more difficult to define. Because POM or LF is larger and lighter than other types of soil organic matter, they can be separated from soil by size (using a sieve) or by weight (using a centrifuge).
  • Lignin: A hard-to-degrade compound that is part of the fibers of older plants. Fungi can use the carbon ring structures in lignin as food.
  • Recalcitrant organic matter: Organic matter such as humus or lignin-containing material that few soil organisms can decompose.
  • Humus or humified organic matter: Complex organic compounds that remain after many organisms have used and transformed the original material. Humus is not readily decomposed because it is either physically protected inside of aggregates or chemically too complex to be used by most organisms. Humus is important in binding tiny soil aggregates, and improves water and nutrient holding capacity.

Where Do Soil Organisms Live?

The organisms of the food web are not uniformly distributed through the soil. Each species and group exists where they can find appropriate space, nutrients, and moisture. They occur wherever organic matter occurs - mostly in the top few inches of soil (see graph below), although microbes have been found as deep as 10 miles (16 km) in oil wells. Soil organisms are concentrated:

Around roots. The rhizosphere is the narrow region of soil directly around roots. It is teeming with bacteria that feed on sloughed-off plant cells and the proteins and sugars released by roots. The protozoa and nematodes that graze on bacteria are also concentrated near roots. Thus, much of the nutrient cycling and disease suppression needed by plants occurs immediately adjacent to roots.

In litter. Fungi are common decomposers of plant litter because litter has large amounts of complex, hard-to-decompose carbon. Fungal hyphae (fine filaments) can "pipe" nitrogen from the underlying soil to the litter layer. Bacteria cannot transport nitrogen over distances, giving fungi an advantage in litter decomposition, particularly when litter is not mixed into the soil profile. However, bacteria are abundant in the green litter of younger plants which is higher in nitrogen and simpler carbon compounds than the litter of older plants. Bacteria and fungi are able to access a larger surface area of plant residue after shredder organisms such as earthworms, leaf-eating insects, millipedes, and other arthropods break up the litter into smaller chunks.

On humus. Fungi are common here. Much organic matter in the soil has already been decomposed many times by bacteria and fungi, and/or passed through the guts of earthworms or arthropods. The resulting humic compounds are complex and have little available nitrogen. Only fungi make some of the enzymes needed to degrade the complex compounds in humus.

On the surface of soil aggregates. Biological activity, in particular that of aerobic bacteria and fungi, is greater near the surfaces of soil aggregates than within aggregates. Within large aggregates, processes that do not require oxygen, such as denitrification, can occur. Many aggregates are actually the fecal pellets of earthworms and other invertebrates.

In spaces between soil aggregates. Those arthropods and nematodes that cannot burrow through soil move in the pores between soil aggregates. Organisms that are sensitive to desiccation, such as protozoa and many nematodes, live in water-filled pores.

Bacteria are abundant around this root tip (the rhizosphere) where they decompose the plentiful simple organic substances.

Credit: No. 53 from Soil Microbiology and Biochemistry Slide Set. 1976 J.P. Martin, et al., eds. SSSA, Madison WI. Please contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

When Are They Active?

The activity of soil organisms follows seasonal patterns, as well as daily patterns. In temperate systems, the greatest activity occurs in late spring when temperature and moisture conditions are optimal for growth. However, certain species are most active in the winter, others during dry periods, and still others in flooded conditions.

Not all organisms are active at a particular time. Even during periods of high activity, only a fraction of the organisms are busily eating, respiring, and altering their environment. The remaining portion are barely active or even dormant.

Many different organisms are active at different times, and interact with one another, with plants, and with the soil. The combined result is a number of beneficial functions including nutrient cycling, moderated water flow, and pest control.

The Importance of the Soil Food Web

The living component of soil, the food web, is complex and has different compositions in different ecosystems. Management of croplands, rangelands, forestlands, and gardens benefits from and affects the food web. The next unit of the Soil Biology Primer, The Food Web & Soil Health, introduces the relationship of soil biology to agricultural productivity, biodiversity, carbon sequestration and to air and water quality. The remaining six units of the Soil Biology Primer describe the major groups of soil organisms: bacteria, fungi, protozoa, nematodes, arthropods, and earthworms.


THE LIVING SOIL: PROTOZOA

Protozoa are single-celled animals that feed primarily on bacteria, but also eat other protozoa, soluble organic matter, and sometimes fungi. They are several times larger than bacteria - ranging from 1/5000 to 1/50 of an inch (5 to 500 µm) in diameter. As they eat bacteria, protozoa release excess nitrogen that can then be used by plants and other members of the food web.

Protozoa are classified into three groups based on their shape: Ciliates are the largest and move by means of hair-like cilia. They eat the other two types of protozoa, as well as bacteria. Amoebae also can be quite large and move by means of a temporary foot or "pseudopod." Amoebae are further divided into testate amoebae (which make a shell-like covering) and naked amoebae (without a covering). Flagellates are the smallest of the protozoa and use a few whip-like flagella to move.

Protozoa play an important role in nutrient cycling by feeding intensively on bacteria. Notice the size of the speck-like bacteria next to the oval protozoa and large, angular sand particle.

Credit: Elaine R. Ingham. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Bacteria ingested by an amoeba.

Credit: No. 35 from Soil Microbiology and Biochemistry Slide Set. 1976. J.P. Martin, et al., eds. SSSA, Madison, WI. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Flagellates have one or two flagella which they use to propel or pull their way through soil. A flagellum can be seen extending from the protozoan on the left. The tiny specks are bacteria.

Credit: Elaine R. Ingham. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Ciliates are the largest of the protozoa and the least numerous. They consume up to ten thousand bacteria per day, and release plant available nitrogen. Ciliates use the fine cilia along their bodies like oars to move rapidly through soil.

Credit: Elaine R. Ingham. Please contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

What Do Protozoa Do?

Protozoa play an important role in mineralizing nutrients, making them available for use by plants and other soil organisms. Protozoa (and nematodes) have a lower concentration of nitrogen in their cells than the bacteria they eat. (The ratio of carbon to nitrogen for protozoa is 10:1 or much more and 3:1 to 10:1 for bacteria.) Bacteria eaten by protozoa contain too much nitrogen for the amount of carbon protozoa need. They release the excess nitrogen in the form of ammonium (NH4+). This usually occurs near the root system of a plant. Bacteria and other organisms rapidly take up most of the ammonium, but some is used by the plant. (See figure below for explanation of mineralization and immobilzation.)

Another role that protozoa play is in regulating bacteria populations. When they graze on bacteria, protozoa stimulate growth of the bacterial population (and, in turn, decomposition rates and soil aggregation.) Exactly why this happens is under some debate, but grazing can be thought of like pruning a tree - a small amount enhances growth, too much reduces growth or will modify the mix of species in the bacterial community.

Protozoa are also an important food source for other soil organisms and help to suppress disease by competing with or feeding on pathogens.

Where Are Protozoa?

Protozoa need bacteria to eat and water in which to move, so moisture plays a big role in determining which types of protozoa will be present and active. Like bacteria, protozoa are particularly active in the rhizosphere next to roots.

Typical numbers of protozoa in soil vary widely - from a thousand per teaspoon in low fertility soils to a million per teaspoon in some highly fertile soils. Fungal-dominated soils (e.g. forests) tend to have more testate amoebae and ciliates than other types. In bacterial-dominated soils, flagellates and naked amoebae predominate. In general, high clay-content soils contain a higher number of smaller protozoa (flagellates and naked amoebae), while coarser textured soils contain more large flagellates, amoebae of both varieties, and ciliates.

Nematodes and Protozoa

Protozoa and bacterial-feeding nematodes compete for their common food resource: bacteria. Some soils have high numbers of either nematodes or protozoa, but not both. The significance of this difference to plants is not known. Both groups consume bacteria and release NH4+.

Bug Biography: Soil Dwelling Vampires

Most protozoa eat bacteria, but one group of amoebae, the vampyrellids, eat fungi. The perfectly round holes drilled through the fungal cell wall, much like the purported puncture marks on the neck of a vampire's victim, are evidence of the presence of vampyrellid amoebae. The amoebae attach to the surface of fungal hyphae and generate enzymes that eat through the fungal cell wall. The amoeba then sucks dry or engulfs the cytoplasm inside the fungal cell before moving on to its next victim.

Vampyrellids attack many fungi including root pathogens, such as Gaeumannomyces graminis, shown in the photo. This fungus attacks wheat roots and causes take-all disease.


Soil is made up of a multitude of physical, chemical, and biological entities, with many interactions occurring among them. Soil is a variable mixture of broken and weathered minerals and decaying organic matter. Together with the proper amounts of air and water, it supplies, in part, sustenance for plants as well as mechanical support.

The diversity and abundance of soil life exceeds that of any other ecosystem. Plant establishment, competitiveness, and growth is governed largely by the ecology below-ground, so understanding this system is an essential component of plant sciences and terrestrial ecology.

    is a major limiting factor on land. Terrestrial organisms are constantly confronted with the problem of dehydration. Transpiration or evaporation of water from plant surfaces is an energy dissipating process unique to the terrestrial environment.
  • Temperature variations and extremes are more pronounced in the air than in the water medium.
  • On the other hand, the rapid circulation of air throughout the globe results in a ready mixing and remarkably constant content of oxygen and carbon dioxide.
  • Although soil offers solid support, air does not. Strong skeletons have been evolved in both land plants and animals and also special means of locomotion have been evolved in the latter.
  • Land, unlike the ocean, is not continuous there are important geographical barriers to free movement.
  • The nature of the substrate, although important in water is especially vital in terrestrial environment. Soil, not air, is the source of highly variable nutrients it is a highly developed ecological subsystem.

An incredible diversity of organisms make up the soil food web. They range in size from the tiniest one-celled bacteria, algae, fungi, and protozoa, to the more complex nematodes and micro-arthropods, to the visible earthworms, insects, small vertebrates, and plants. As these organisms eat, grow, and move through the soil, they make it possible to have clean water, clean air, healthy plants, and moderated water flow.

There are many ways that the soil food web is an integral part of landscape processes. Soil organisms decompose organic compounds, including manure, plant residues, and pesticides, preventing them from entering water and becoming pollutants. They sequester nitrogen and other nutrients that might otherwise enter groundwater, and they fix nitrogen from the atmosphere, making it available to plants. Many organisms enhance soil aggregation and porosity, thus increasing infiltration and reducing surface runoff. Soil organisms prey on crop pests and are food for above-ground animals.

Research interests span many aspects of soil ecology and microbiology, Fundamentally, researchers are interested in understanding the interplay among microorganisms, fauna, and plants, the biogeochemical processes they carry out, and the physical environment in which their activities take place, and applying this knowledge to address environmental problems.

Example research projects are to examine the biogeochemistry and microbial ecology of septic drain field soils used to treat domestic wastewater, the role of anecic earthworms in controlling the movement of water and nitrogen cycle in agricultural soils, and the assessment of soil quality in turf production. [2]

Of particular interest as of 2006 [update] is to understand the roles and functions of arbuscular mycorrhizal fungi in natural ecosystems. The effect of anthropic soil conditions on arbuscular mycorrhizal fungi, and the production of glomalin by arbuscular mycorrhizal fungi are both of particular interest due to their roles in sequestering atmospheric carbon dioxide.


Influence of salinity and water content on soil microorganisms

Salinization is one of the most serious land degradation problems facing world. Salinity results in poor plant growth and low soil microbial activity due to osmotic stress and toxic ions. Soil microorganisms play a pivotal role in soils through mineralization of organic matter into plant available nutrients. Therefore it is important to maintain high microbial activity in soils. Salinity tolerant soil microbes counteract osmotic stress by synthesizing osmolytes which allows them to maintain their cell turgor and metabolism. Osmotic potential is a function of the salt concentration in the soil solution and therefore affected by both salinity (measured as electrical conductivity at a certain water content) and soil water content. Soil salinity and water content vary in time and space. Understanding the effect of changes in salinity and water content on soil microorganisms is important for crop production, sustainable land use and rehabilitation of saline soils. In this review, the effects of soil salinity and water content on microbes are discussed to guide future research into management of saline soils.


Soil as Carbon Storehouse: New Weapon in Climate Fight?

The degradation of soils from unsustainable agriculture and other development has released billions of tons of carbon into the atmosphere. But new research shows how effective land restoration could play a major role in sequestering CO2 and slowing climate change.

In the 19th century, as land-hungry pioneers steered their wagon trains westward across the United States, they encountered a vast landscape of towering grasses that nurtured deep, fertile soils.

Today, just 3 percent of North America’s tallgrass prairie remains. Its disappearance has had a dramatic impact on the landscape and ecology of the U.S., but a key consequence of that transformation has largely been overlooked: a massive loss of soil carbon into the atmosphere. The importance of soil carbon — how it is leached from the earth and how that process can be reversed — is the subject of intensifying scientific investigation, with important implications for the effort to slow the rapid rise of carbon dioxide in the atmosphere.

According to Rattan Lal, director of Ohio State University’s Carbon Management and Sequestration Center, the world’s cultivated soils have lost between 50 and 70 percent of their original carbon stock, much of which has oxidized upon exposure to air to become CO2. Now, armed with rapidly expanding knowledge about carbon sequestration in soils, researchers are studying how land restoration programs in places like the former North American prairie, the North China Plain, and even the parched interior of Australia might help put carbon back into the soil.

Soil in a long-term experiment appears red when depleted of carbon (left) and dark brown when carbon content is high (right). Rattan Lal

Absent carbon and critical microbes, soil becomes mere dirt, a process of deterioration that’s been rampant around the globe. Many scientists say that regenerative agricultural practices can turn back the carbon clock, reducing atmospheric CO2 while also boosting soil productivity and increasing resilience to floods and drought. Such regenerative techniques include planting fields year-round in crops or other cover, and agroforestry that combines crops, trees, and animal husbandry.

Recognition of the vital role played by soil carbon could mark an important if subtle shift in the discussion about global warming, which has been heavily focused on curbing emissions of fossil fuels. But a look at soil brings a sharper focus on potential carbon zinkt. Reducing emissions is crucial, but soil carbon sequestration needs to be part of the picture as well, says Lal. The top priorities, he says, are restoring degraded and eroded lands, as well as avoiding deforestation and the farming of peatlands, which are a major reservoir of carbon and are easily decomposed upon drainage and cultivation.

He adds that bringing carbon back into soils has to be done not only to offset fossil fuels, but also to feed our growing global population. “We cannot feed people if soil is degraded,” he says.

“Supply-side approaches, centered on CO2 sources, amount to reshuffling the Titanic deck chairs if we overlook demand-side solutions: where that carbon can and should go,” says Thomas J. Goreau, a biogeochemist and expert on carbon and nitrogen cycles who now serves as president of the Global Coral Reef Alliance. Goreau says we need to seek opportunities to increase soil carbon in all ecosystems — from tropical forests to pasture to wetlands — by replanting degraded areas, increased mulching of biomass instead of burning, large-scale use of biochar, improved pasture management, effective erosion control, and restoration of mangroves, salt marshes, and sea grasses.

“CO2 cannot be reduced to safe levels in time to avoid serious long-term impacts unless the other side of atmospheric CO2 balance is included,” Goreau says.

Scientists say that more carbon resides in soil than in the atmosphere and all plant life combined there are 2,500 billion tons of carbon in soil, compared with 800 billion tons in the atmosphere and 560 billion tons in plant and animal life. And compared to many proposed geoengineering fixes, storing carbon in soil is simple: It’s a matter of returning carbon where it belongs.

Through photosynthesis, a plant draws carbon out of the air to form carbon compounds. What the plant doesn’t need for growth is exuded through the roots to feed soil organisms, whereby the carbon is humified, or rendered stable. Carbon is the main component of soil organic matter and helps give soil its water-retention capacity, its structure, and its fertility. According to Lal, some pools of carbon housed in soil aggregates are so stable that they can last thousands of years. This is in contrast to “active” soil carbon, which resides in topsoil and is in continual flux between microbial hosts and the atmosphere.

“If we treat soil carbon as a renewable resource, we can change the dynamics,” says Goreau. “When we have erosion, we lose soil, which carries with it organic carbon, into waterways. When soil is exposed, it oxidizes, essentially burning the soil carbon. We can take an alternate trajectory.”

As basic as soil carbon is, there’s much scientists are just learning about it, including how to make the most of its CO2 sequestration capacity. One promising strategy, says Goreau, is bolstering soil microbiology by adding beneficial microbes to stimulate the soil cycles where they have been interrupted by use of insecticides, herbicides, or fertilizers. As for agroforestry, programs with greater species diversity are better able to maximize the storage of carbon than monocultures. Many researchers are looking to biochar — produced when plant matter, manure, or other organic material is heated in a zero- or low-oxygen environment — for its ability to turn problem areas into productive sites while building soil carbon. Says Goreau, “Vast areas of deforested land that have been abandoned after soil degradation are excellent candidates for replanting and reforestation using biochar from the weeds now growing there.”

An important vehicle for moving carbon into soil is root, or mycorrhizal, fungi, which govern the give-and-take between plants and soil. According to Australian soil scientist Christine Jones, plants with mycorrhizal connections can transfer up to 15 percent more carbon to soil than their non-mycorrhizal counterparts. The most common mycorrhizal fungi are marked by threadlike filaments called hyphae that extend the reach of a plant, increasing access to nutrients and water. These hyphae are coated with a sticky substance called glomalin, discovered only in 1996, which is instrumental in soil structure and carbon storage. The U.S. Department of Agriculture advises land managers to protect glomalin by minimizing tillage and chemical inputs and using cover crops to keep living roots in the soil.

In research published in Natuur in January, scientists from the University of Texas at Austin, the Smithsonian Tropical Research Institute, and Boston University assessed the carbon and nitrogen cycles under different mycorrhizal regimens and found that plants linked with fruiting, or mushroom-type, fungi stored 70 percent more carbon per unit of nitrogen in soil. Lead author Colin Averill, a fourth-year graduate student at the University of Texas, explains that the fungi take up organic nitrogen on behalf of the plant, out-competing soil microorganisms that decompose organic matter and release carbon. He says this points to soil biology as a driver of carbon storage, particularly “the mechanisms by which carbon can stay in the ground rather than going into the atmosphere.”

One implication of this research, says Goreau, is that “the effect of most landscape alterations is to convert them from systems that store carbon efficiently … toward ones that are inefficient in the use of nitrogen, and as a result are losing carbon storage.” By landscape alterations, he means from forest to cropland, or from small farms to industrial agriculture operations that use the chemicals that inhibit the mycorrhizal and microbial interactions that store carbon.

Our understanding of soil microbiology and how soil life affects the carbon cycle is poised for tremendous growth, says Goreau. This, he says, is thanks to the burgeoning field of metagenomics, the study of genetic material from specimens taken directly from the environment rather than cultured in a lab. “For the first time,” says Goreau, “we can identify all major soil biogeochemical pathways from the genetic information in the microbes.”

Even at our current level of knowledge, many see great potential for storing carbon in soil. Lal of Ohio State says that restoring soils of degraded and desertified ecosystems has the potential to store in world soils an additional 1 billion to 3 billion tons of carbon annually, equivalent to roughly 3.5 billion to 11 billion tons of CO2 emissions. (Annual CO2 emissions from fossil fuel burning are roughly 32 billion tons.)

Many call Lal’s carbon soil storage figures low. This could reflect the fact that soil carbon is generally measured in the top 15 to 30 centimeters, whereas soil at depth may store carbon at much higher rates. For example, in land with deep-rooted grasses the soil can go down five meters or more. Research by Australian and British scientists published last year in the journal Plant en bodem examined soils in five southwestern Australia sites at depths as great as nearly 40 meters. These findings add impetus to explore strategies such as working with deep-rooted perennial grasses to secure carbon at depth.

Those who champion soil carbon for climate mitigation frequently look to grasslands, which cover more than a quarter of the world’s land. According to the UN’s Food and Agriculture Organization, grasslands also hold 20 percent of the world’s soil carbon stock. Much of this land is degraded, as evidenced in the U.S. Great Plains and places like northern Mexico, Africa’s Sahel, and Mongolia.

Seth Itzkan — founder of Massachusetts-based Planet-TECH Associates, a consulting firm specializing in restoration ecology — advocates Holistic Planned Grazing (HPG), a model developed by Zimbabwean wildlife biologist Allan Savory. In this practice, livestock are managed as a tool for large-scale land restoration, mimicking the herding and grazing patterns of wild ruminants that coevolved with grassland ecosystems. Animals are moved so that no plants are overgrazed, and grazing stimulates biological activity in the soil. Their waste adds fertility, and as they move in a herd their trampling aerates soil, presses in seeds, and pushes down dead plant matter so it can be acted upon by soil microorganisms. All of this generates soil carbon, plant carbon, and water retention. Savory says HPG doesn’t require more land — in fact it generally supports greater animal density — so it can be applied wherever livestock are raised.

In Australia, which has been suffering extreme heat and wildfires, policy-makers are taking seriously programs that build and stabilize soil carbon. The action plan Regenerate Australia outlines a strategy to restore up to 300 million hectares (740 million acres). A core goal is attaining previous soil carbon levels by introducing more sustainable grazing, farming, and water-retention practices.

Says Rattan Lal: “Soils of the world must be part of any agenda to address climate change, as well as food and water security. I think there is now a general awareness of soil carbon, an awareness that soil isn’t just a medium for plant growth.”

Judith D. Schwartz is a freelance writer based in southern Vermont who has written on ecology and economics for Scientific American, Conservation, Time, en Pacific Standard. Her most recent book is "Cows Save the Planet and Other Improbable Ways of Restoring Soil to Heal the Earth." More about Judith D. Schwartz →


Bekijk de video: Terbaru Rahasia Tanah Gembur dan Subur Dengan Cara Fermentasi Lahan (November 2021).