Bodenkunde (Fach) / 08 (Lektion)

Bodenbiologie

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• 01. Erläutern Sie den Begriff der Nettoprimärproduktion eines Ökosystems. In einem Ökosystem ohne anthropogene Einflüsse: Welche Anteile der Nettoprimärproduktion werden nicht früher oder später dem Boden zugeführt? Die Nettoprimärproduktion eines Ökosystems ist die Gesamtmenge an Kohlenstoff / Energie, die alle Pflanzen des Ökosystems durch Sonneneinstrahlung und Photosynthese pro Jahr binden, abzüglich der Menge, die durch Atmung direkt wieder entweicht. Die Gesamtmengen der von Pflanzen in einem Jahr aufgebauten Biomasse abzüglich der Menge, die von der Pflanze durch Respiration selbst verbraucht wurde. Das System ist relativ geschlossen. Nur 5%  (durch Atmung, Tiere oder Waldbrände) werden nicht wieder dem Boden zugeführt.
• 02. Energiegehalt von einer Tonne trockener Biomasse (z.B. Holz) in kwh (Kilowattstunden) im Vergleich zu leichtem Heizöl (auf Literbasis)? Was ergibt sich daraus für die dem Bodenleben zu Verfügung stehende Energie bzw. die genannten Äquivalente, we Eine Tonne trockenes Holz entsprechen 4100 kWh.Ein Liter leichtes Heizöl hat einen Heizwert von 10 kWh (~0,86 kg). Einer Tonne Holz würden dem Heizwert von 410 Litern entsprechen. Das bedeutet das dem Boden 41 000 kWh Energie pro Jahr und Hektar zugeführt werden, was eine enorme Menge ist. Dem entsprechen 4100 l leichtes Heizöl. Daraus ergibt sich auch, das Bodenorganismen eine riesige Menge Energie zur Verfügung stehen. 1kg Holz = 4,1 kWh 1kg Heizöl= 11,6 kWh
• 03. Der Abbau der Streu kann stark vereinfacht in 4 Phasen gegliedert werden. Erläutern Sie diese Phasen. a) Absterbephase: Die Pflanzen ziehen ihre wertvollen Nährstoffe aus der Streu zurück, Sollbruchstellen entstehen und die Streu fällt zu Boden, wo es von Mirkoorganismen besiedelt wird. b) Auswaschphase: Wasserlösliche Zellbestandteile wie Zucker und Proteine werden ausgewaschen, die Streu wird von Schimmelpilzen besiedelt, dich sich von den unausgewaschenen, schnell abbaubaren Stoffen ernähren. c) Zerkleinerungsphase: Das organische Material wird von Primärkonsumenten aufgenommen, die es fragmentieren und durchmischen. Sie werden von Sekundärkonsumenten gefressen. Der ausgeschiedene Kot wird von Korpophage genutzt. Große Frequenz an Zerkleinerung und Durchmischung. d) Mikrobielle Phase: Bakterien und Pilze zersetzen die Überreste der vorherigen Phasen durch Mineralisierung in anorganische Grundbausteine: Ionen, CO2, H2O…
• 04. Streu besteht aus schnell und langsam mikrobiell abbaubaren Substanzen. Nennen Sie 3 Substanz(grupp)en in der Reihenfolge ihrer Abbaugeschwindigkeit. Nennen Sie eine Organismengruppe, die bevorzugt die besonders schnell abbaubaren Stoffe verwerte Zucker - Proteine, Cellulose - Hemicellulose, Lignin Schimmelpilze
• 05. Erläutern Sie die Begriffe: Primärproduzent, Konsument, chemoheterotroph, photoautotroph, saprotroph, biotroph, phytophag. Welche Begriffe gehören zur gleichen Organismengruppe? a) Primärproduzenten: Organismen, die ohne andere Organismen allein von Licht, Wasser und Luft leben können b)Konsumenten: Organismen, die die von P. gebundene chemische Energie benötigen und als Nahrungsquelle konsumieren c) Chemoheterotroph: Konsumenten sind chemoheterotroph. Sie brauchen die von anderen Organismen gebundene chemische Energie und können sich nicht selbst mit chem.Energie versorgen. d) Photoautotroph: Organismen, die Licht in chemische Energie umwandeln können. e) Saprotroph: Organismen, die die tote organische Substanz als Nahrung nutzen   - e), f) und g) sind sowohl b) als auch c) - g) gehört in eine Organismengruppe wie f) f) Biotroph: Organismen, die lebende Pflanzen- oder Tiersubstanz als Nahrung verwenden g) Phytophag: Organismen sind phytophag, wenn sie sich von lebenden Pflanzen ernähren (Pflanzenfresser) - d) gehört zu a)
• 06. Was versteht man unter der Mikroflora, der Mikrofauna, der Mesofauna und der Makrofauna des Bodens? Die Begriffe ordnen Lebewesen der Größe nach. Mikroflora (Bakterien,Pilze) + Mikrofauna(Protozoen,Wurzelhaare) bilden = Mikroorganismen Mesofauna (Nematoden, Mikroanthropoden) Makrofauna (Anneliden (Enchyträen, Regenwürmer), Asseln, Insektenlarven, Schnecken, Spinne)
• 07. Für einen typischen Grünlandboden: Nennen Sie die ungefähren Massenanteile der Bodenlebewesen Wurzeln, Pilze, Bakterien, Bodentiere. Welche Tiergruppe hat den höchsten Anteil? Wurzeln : 50% Pilze: 29% Bakterien: 13% Bodentiere: 8% (davon 60% Regenwürmer)
• 08. Erläutern Sie 4 Lebensäußerungen der Wurzeln, die den umgebenden Boden beeinflussen. Woher beziehen die Wurzeln die Energie ? 1. Wasser-/Nährstoffentzugentzug der Umgebung durch apoplastische Transpiration des Wassers in die Wurzel hinein (Konzentrationsgradient möglich) 2. Wurzelatmung, Aufnahme von O2 und Abgabe von CO2 (dadurch auch Versauerung des Bodens)+ Ionenaufnahme/Ionenabgabe 3. das Wachstum der Wurzeln durch Zellteilung verdichtet den Boden 4. Teils durch die Verdichtung des Bodens beim Wachstum, teils durch das Ausscheiden klebriger Stoffe (s. Rhizodeposition) werden Aggregate gebildet/ stabilisiert und es herrscht eine höhrere biologische Aktivität Die Energie für diese Vorgänge kommt aus den Assimilaten, die von den oberirdischen Pflanzenorganen gebunden und zu den Wurzeln transportiert wird.
• 09. Erläutern Sie die Begriffe „apoplastischer“ und „symplastischer“ Transport in der Wurzelrinde. Apoplastischer Transport: freie Diffusion von Wasser und Ionen in die Wurzelrinde Symplastischer Transport: Am Übergang von Wurzelrinde zum Zentralzylinder verhindern Caspary-Streifen den apoplastischen Transport. Die Endodermis kann nur durch symplastischen Transport innerhalb der Zellen überwunden werden, bei dem die Pflanze selektierend eingreift
• 10. Was sind Wurzelhaare (Aufbau, Funktion)? Besitzen alle Pflanzen Wurzelhaare, wenn nein, wie wird ihre Funktionalität ersetzt? Die Funktion der Wurzelhaare ist der Austausch der Wurzel mit der Bodenlösung(Ionen+Wasser). Zur Vergrößerung der Oberfläche dieses Vorganges sind Epidermiszellen kurz hinter der Wurzelspitze zu Wurzelhaaren ausgestülpt. Alternativ wird die Oberfläche auch über die Symbiose mit Mykorrhizen vergrößert.
• 11.) Was versteht man unter Rhizodeposition, was ist die Rhizosphäre? Die Rhizodeposition ist die Abgabe Organischer Stoffe durch die Wurzeln in den Boden. (abgestorbene Zellen, Mucilate (Schleim) aus dem Apoplast - mechanischer Schutz, Exsudate aus dem Symplast, - Aminosäure, Zucker, organische Säuren - wichtige Energiequelle der Bodenorganismen - stellt zusammen mit der entstehenden Feinstwurzelstreu die Basis für den Mineralbodenhumus - sauerstoffarmer Boden kann aufoxidiert werden - die Nährstoffverfügbarkeit in carbonatischen Böden kann durch ansäuern verbessert werden Durch die wertvollen Stoffe, die bei der Rhizodeposition abgegeben werden, bildet sich in unmittelbarer Umgebung der Wurzel ein Hotspot von bodenbiologischer Aktivität (großer spezifischer Umsatz, hohe Organismendichte), die Rhizosphäre. Bakterien und Amöben interagieren hier mit der Wurzel, die wiederum direkt den Boden um sich durch Abgabe von oxidierenden Stoffen, organischen Säuren oder einfach CO2 aus der Atmung beeinflusst. Als Energiequelle sehr bedeutend, entsteht hier durch die Anwesenheit vieler Mineralisierender Bodenorganismen auch viel Humus.
• 12. Erläutern Sie 3 Hauptstoffwechseltypen, die sich durch die Art der Kohlenstoff- bzw. Energiequelle unterscheiden. Ordnen Sie jedem Stoffwechseltypen zwei oder ggf. nur eine Großgruppe(n) von Organismen zu (Tiere, Pflanzen etc. ).   Photoautotrophe brauchen als Energiequelle einzig das Sonnenlicht, für ihren Stoffwechsel ausschließlich anorganische Stoffe CO2/H2O/Minerale -  grüne Pflanzen   Chemoheterotrophe Aerobier sind auf photoautotrophe Organismen als Kohlenstoff- und Energiequelle angewiesen - Tiere, Einzeller, Bakterien Chemoautotrophe Anaerobier beziehen die Energie ihres Stoffwechsels aus reduzierten Verbindungen, den Kohlenstoff je nach Art aus organischen oder anorganischen Verbindungen - Bakterien  
• 13. Erläutern Sie die Begriffe: Elektronenakzeptor, Anaerobie. Nennen Sie vier im Boden relevante Elektronenaktzeptoren und erläutern Sie jeweils einen Prozess im Boden, der an die Nutzung dieses Elektronenakzeptors gebunden ist Organismen gewinnen Energie durch die Abgabe von Elektronen (Oxidationen) bei der Energie frei wird. Diese Reaktion ist jedoch an eine Reduktion gekoppelt, sie finden immer gemeinsam statt. Die Elektronenakzeptoren sind daher gleichwertig wichtig für den Stoffwechsel. Der beste e- Akzeptor ist Sauerstoff. Anaerobie beschreibt die Aufrechterhaltung eines Stoffwechselvorgangs ohne den Zugang zu Sauerstoff, wobei andere Elektronenakzeptoren genutzt werden. z.B. 1. N2O/NO3 – Denitrifizierung: Die Umwandlung von Nitrat und Lachgas zu molekularem Stickstoff durch Bakterien ist der einzige Prozess bei dem gebundener Stickstoff wieder in die molekulare Form übergeht, und ist daher ein wesentlicher Bestandteil des Stickstoffkreislaufes. 2. SO4 – Desulfurikation: Die Reduktion von Sulfat zu Sulfid bzw. Schwefelwasserstoff durch bestimmte Bakterien 3. Fe(III) – Redoximorphose: Reduktion von Fe(III) zu Fe(II) ist für bestimmte Färbungen des Bodens verantwortlich 4. andere organische Verbindungen – Gärung: Mikrobieller Abbau organischer Stoffe ohne Einbeziehung von externen Elektronenakzeptoren wie beispielsweise Sauerstoff (O2) zum Zweck der Energiegewinnung.
• 14. Pilze und Bakterien ernähren sich osmophag. Erklären Sie den Begriff und erläutern Sie die jeweils zwei Input- und Outputströme der beteiligten Organismen. Bei Vorhandensein aller Ressourcen, welcher Schritt limitiert meist den Stoffumsatz? Osmophag bedeutet, dass die Stoffe, die als Nahrungssubstrat genutzt werden, per Diffusion in die Zellen eindringen. In die Zelle hinein müssen Elektronenakzeptoren (O2 bei aeroben, N2O/SO4/etc. bei anaeroben) und Nahrungssubstrate (Monomere), hinaus müssen die Reduzierten Stoffe sowie die Exoenzyme, die nötig sind um die Makromoleküle auf eine diffusionsfähige Größe zu spalten. Die Nachbildung von Enzymen wird, wenn alle anderen Ressourcen vorhanden sind wohl die meisten Probleme verursachen und den Stoffwechsel limitieren.
• 15. Welche Energiequellen werden von Bodenmikroorganismen genutzt? Nennen und erläutern sie 3 solche Quellen. Photoautotrophe brauchen als Energiequelle einzig das Sonnenlicht. Chemoheterotrophe Aerobier sind auf photoautotrophe Organismen als Kohlenstoff- und Energiequelle angewiesen. Chemoautotrophe Anaerobier beziehen die Energie ihres Stoffwechsels aus reduzierten Verbindungen, den Kohlenstoff je nach Art aus organischen oder anorganischen Verbindungen.
• 16.) Erläutern Sie 6 Umgebungsbedingungen, die den bakteriellen Umsatz stimulieren bzw. hemmen. Substratkonzentration: Nahrung muss ausreichend vorhanden sein. Vorhandensein von Elektronenakzeptoren: Sauerstoff als Akzeptor optimal, aber auch Alternativen möglich Wärme: bei Temperaturzunahme um 10° verdoppelt/dreifacht sich die Umsatzgeschwindigkeit, jedoch nicht unbegrenzt (Wärmelimit) pH-Wert: Bakterien leben nur im neutralen bis schwach alkalischen Millieu Wasserversorgung: Bakterien brauchen zum Überleben einen Wasserfilm Bioturbation: da Bakterien immobil sind, brauchen sie eine Stete Durchmischung des Bodens durch andere Lebewesen Zerkleinerung/Vorverdauung: osmophag, große reaktive OberflächenSubstratqualität: C/N -Verhältnis: Aufbau von Körpersubstanz (Proteine!)
• 17.) Erklären Sie warum a) ein niedriges C/N Verhältnis b) die Durchmischung und Zerkleinerung c) das Grazing den bakteriellen Umsatz stimuliert. a) Da sich Bakterien immer in der Wachstums/Teilungsphase befinden benötigen sie immer Proteine, also Stickstoff. Ein niedriges C/N-Verhältnis bedeutet, dass viel N vorhanden ist, was sich positiv auf das Wachstum auswirkt. b) da Bakterien immobil sind, brauchen sie eine Stete Durchmischung des Bodens um an neue Nährstoffe zu gelangen. Diese müssen durch Zerkleinerung vorverdaut sein, da der osmophage Stoffwechsel die Größe des Nahrungssubstrates limitiert. c) Nematoden fressen abgestorbene Bakterien und Ausscheidungen der Bakterien weg und schaffen so Raum für Bakterienwachstum.
• 18.) Was sind Rhizomorphen? Warum macht die Hyphen- bzw. Rhizomorphenbildung die Pilze unter schwierigen Umgebungsbedingungen des Bodens (z.B. Säure, Trockenheit, C/N-Verhältnis..) widerstandsfähiger bzw. leistungsfähiger als Bakterien? Rhizomorphen sind Myzelstränge, von einigen Pilzarten gebildet, bestehen sie aus einer Zentralen Transporthyphe und mehreren diese ringförmig umgebenen Versorgungshyphen. Sie vergrößern die Oberfläche des Pilzes und damit sein Einzugsgebiet für Wasser und Nährstoffe.
• 19. Die Ernährungsweise der Bodenpilze kann in zwei große Gruppen eingeteilt werden. Welche sind das? Was ist Mykorrhiza, welche Bedeutung hat sie für die Wurzel? Zu welcher der beiden zuvor genanten Gruppen gehören die Mykorrhizapilze? Die Ernährungsweise lässt sich in Parasiten und Mutualisten aufteilen. Mykorrhiza ist ein mutualistischer Pilz, der an den Wurzeln von Pflanzen lebt, deren aktive Oberfläche dadurch geschützt wird, sich vergrößert und organische Nährstoffpools erschlossen werden.
• 20.) Was ist Endo- und Ektomykorrhiza? Welche Mykorrhiza spielt eine entscheidende Rolle für die Vitalität der meisten unserer Waldbäume? Endomykorrhiza sind Symbiosepilze, die innerhalb der Wurzelzellen (Intrazellulär) wachsen; Ektomykorrhiza wachsen außerhalb (Interzellulär), also zwischen den Wurzelzellen und sind bestimmend in den gemäßigten Breiten, also für unsere Waldbäume.
• 21.) Erklären Sie den Begriff des Grazing bei der Bodenmesofauna. Welche Tiergruppen gehören zur Mesofauna? Zur Mesofauna gehören Nematoden und Mikroarthropoden (Milben und Urinsekten). Sie fressen Bakterien, die sich sonst ungehemmt vermehren und so ihr Wachstum durch die Anreicherung von abgestorbenen Bakterien und Ausscheidungen selbst behindern. Durch das Grazing profitieren die Bakterien, da ihr Lebensraum aufbereitet wird.
• 22.) Was sind Enchyträen, wo leben sie? Enchyträen ist eine Familie aus dem Stamm der Ringelwürmer, zu denen auch der Regenwürm zählt. Sie leben in den oberen Schichten feuchter Acker-, Wald- und Wiesengebiete.
• 23.) Beschreiben Sie die drei Lebensformtypen der Regenwürmer im Hinblick auf Pigmentierung, Größe, Nahrungsaufnahme, Wohnröhren. Streubewohner – am ganzen Körper rot/braun, 1-3 cm, frisst streu und Mikroorganismen, keine Wohnröhren, eher kurzfristige horizontale Gänge Mineralbodenbewohner – weiß/unpigmentiert am ganzen Körper, 3-15 cm, frisst abgestorbene Feinwurzeln, kurze horizontale Gänge Tiefgräber – Vorderteil und Rücken schwarz/braun, 15-60 cm, zieht sich mit der Kopfseite Streu in seine, Wohnröhre: vertikal, dauerhaft, ausgekleidet mit Humus
• 24.) Wie beeinflussen Regenwürmer den Boden? Erläutern Sie 5 Funktionen. 1. Zerkleinerung – Regenwürmer leben von Streu und leisten durch das Zerkleinern der Streu einen Großteil bei der Zerkleinerungsphase des Streuabbaus 2. durch ihre Verdauung und ihren Fressvorgang durchmischen sie organische und mineralischer Substanz und vermengen so Mikroorganismen und Substrat, Bioturbation 3. Der Bau von Röhren ist einerseits eine Wuchshilfe für Wurzeln, andererseits hat der Bau auch eine Drainage und Wasserleitfunktion, Porosität 4. Die Ausscheidungen der Regenwürmer sind stabile Bodenaggregate 5. Regenwürmer lockern durch ihre Gänge den Boden und sorgen für eine gute Belüftung des Bodens.
• 25.)a) Welche zwei Wege kann der Kohlenstoff der assimilierten Nahrung nehmen? b) nennen Sie eine Organismengruppe die besonders viel aufgenommenen Kohlenstoff assimiliert und eine die besonders wenig assimiliert. c) Erläutern Sie die besondere Rolle a) C wird genutzt als Aufbau der Körpersubstanz oder als Energiespeicher/Stoffwechselprodukte b) Bakterien assimilieren (in den Stoffwechsel eingeschleust und in körpereigene Substanz umgewandelt) besonders viel, da sie Einzeller sind und alles was als Nahrung aufgenommen wird, sich sofort in den Zellen / im Körper befindet, Regenwürmer hingegen nur einen kleinen Teil (ca. 20%), diesen jedoch dafür sehr stabil verbunden mit den ausgestoßenen Bodenaggregaten, Was c) wichtig für die C-Speicherung des Bodens ist.

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