Mikrobielle Dynamik und Holzabbau : Eine ökologische Analyse der Wechselwirkungen zwischen Bodengemeinschaften und verbauten Holzelementen im Wein- und Obstbau

Titelangaben

Lasota, Sandra B.:
Mikrobielle Dynamik und Holzabbau : Eine ökologische Analyse der Wechselwirkungen zwischen Bodengemeinschaften und verbauten Holzelementen im Wein- und Obstbau.
Bayreuth , 2026 . - IX, 143 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Kupferbasierte Schutzmittel werden routinemäßig im Holz- und Pflanzenschutz eingesetzt, was zu einer Anreicherung kupfertoleranter mikrobieller Gemeinschaften im Boden führt. Diese mikrobiellen Prozesse derartiger Gemeinschaften können die Wirksamkeit von Holzschutzmitteln beeinträchtigen und den Holzabbau fördern, was erhebliche Schäden an verbauten Holzpfählen verursachen kann. Um die Auswirkung von Holzschutzmitteln auf die Zusammensetzung der Pilz- und Bakteriengemeinschaften im umgebenden Boden zu untersuchen, wurden Inkubationsstudien sowohl im Labor als auch im Freiland konzipiert. In den Laborstudien wurden fünf verschiedene Bodenmilieus aus dem Wein- und Obstbau aus Nord- und Mitteldeutschland sowie Nord- und Südfrankreich und Portugal über mehrere Wochen hinweg unter standardisierten Bedingungen untersucht. Holzprüfkörper aus Kiefernsplintholz wurden entweder mit Wasser (H2O) als Kontrolle oder mit verschiedenen biozidbasierten Formulierungen imprägniert, darunter Kupfer (Cu), eine Mischung aus Kupfer, Triazolen und quaternären Ammoniumverbindungen (CuTriQAC), sowie eine Mischung aus Triazolen und quaternären Ammoniumverbindungen (TriQAC). Die Holzprüfkörper wurden 8, 16, 24 und 32 Wochen lang im Boden jedes Standorts inkubiert und Bodenproben wurden sowohl an der Grenzfläche zwischen Boden und Holz als auch ohne Holzkontakt entnommen. Der Einfluss der mikrobiellen Bodengemeinschaft auf die Holzprüfkörper wurde anhand des Masseverlustes und des Elastizitätsmoduls (MOE) untersucht. In den Freilandstudien wurden imprägnierte Holzprüfkörper aus Kiefernholz für 17 und 36 Wochen an zwei Feldstandorten (Norddeutschland und Mitteldeutschland) mit unterschiedlicher Geschichte des Einsatzes kupferhaltiger Schutzmittel inkubiert. Die Holzprüfkörper wurden vor der Ausbringung entweder mit CuTriQAC, Cu oder H2O als Kontrolle imprägniert. Zur Analyse der räumlichen Auflösung im Holz wurden zusätzlich zu den Bodenproben Holzproben in zwei Tiefen (1 mm und 7 mm von der Außenseite) der Holzprüfkörper entnommen. Die Zusammensetzung der Pilz- und Bakteriengemeinschaft wurde mittels quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) und Amplikonsequenzierung der pilzlichen ITS-Gen-Region sowie des bakteriellen 16S rRNA-Gens untersucht. Die Zusammensetzung der Pilz- und Bakteriengemeinschaft unterschied sich in den Laborstudien signifikant zwischen den Standorten, während die mikrobielle Diversität trotz dieser Unterschiede vergleichbare Holzabbauraten verursachte. Die Behandlung mit Holzschutzmitteln hatte einen signifikanten Einfluss auf die Pilzgemeinschaft, während die bakterielle Gemeinschaft weniger betroffen war. Die häufigsten Pilzgattungen wiesen lignin- und / oder celluloseabbauenden Eigenschaften auf sowie die Fähigkeit, eine Vielzahl organischer Verbindungen abzubauen. In Anwesenheit von Cu- und CuTriQAC-Behandlungen nahm die relative Abundanz der Trichocomaceae-Familie zu, was auf kupfertolerante Pilze hinweist. Zeitliche Veränderungen in der Pilzgemeinschaft korrelierten mit einem Anstieg des Masseverlust. Cu- und CuTriQAC-behandeltes Holz zeichnete sich im Vergleich zu H2O- und TriQAC-behandeltem Holz durch einen geringeren Masseverlust, ein geringeres MOE und weniger Pilz- und Bakteriengenkopien während der Inkubationszeit aus. Diese Behandlungen ermöglichten somit einen effektiveren Schutz des Holzes vor mikrobiellen Abbauprozessen, unabhängig von der mikrobiellen Gemeinschaft im Boden. An allen Standorten waren potenziell holzabbauende sowie kupfertolerante Mikroorganismen vorhanden, die den Holzabbau begünstigen könnten. Die Freilandstudien bestätigten, dass die Pilz- und Bakteriendiversität von der Boden-Holz-Grenzfläche bis in beide Holztiefen abnimmt, insbesondere bei den kupferhaltigen Behandlungen. Trotz dieser Abnahme blieben im Holz Pilze und Bakterien vorhanden, die sowohl Holz als auch Biozide abbauen könnten und potenziell gegen Schwermetalle tolerant sind. Die dominierenden Pilze gehörten überwiegend zu den Sordariomyceten, während die dominierenden Bakteriengattungen in den Cu- und CuTriQAC-Behandlungen diazotroph waren. Unterschiede zwischen Nord- und Mitteldeutschland wurden hinsichtlich der räumlich-zeitlichen Besiedlung im Holz sowie der Genkopienzahl beobachtet. In der Boden-Holz-Grenzfläche und in der ersten Holztiefe der Cu-Behandlung stiegen die Genkopienzahlen von Pilzen und Bakterien im Vergleich zur H2O-Behandlung an. In CuTriQAC-behandeltem Holz verringerten sich die Genkopienzahlen von Pilzen und Bakterien in einer Tiefe von 1 mm, während sie in einer Tiefe von 7 mm nur für Pilze abnahmen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Cu- und CuTriQAC-behandeltes Holz eine Selektion auf bestimmte mikropilzliche Ascomycota und definierte Bakteriengattungen ausübt. Zudem hatte die Pilz- und Bakteriengemeinschaft in Mitteldeutschland eine höhere Anzahl von Genkopien im geschützten Holz. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Cu- und CuTriQAC-behandelte Holzprüfkörper einen effektiven Schutz gegen mikrobiellen Abbau bieten, unabhängig von der Herkunft der mikrobiellen Gemeinschaften im Boden. Diese Studien zeigen auch, dass potenziell holzabbauende und kupfertolerante Mikroorganismen in jedem Standort vorhanden sind, was auf eine langfristige Herausforderung für den Einsatz kupferhaltiger Schutzmittel hinweist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass zukünftige Strategien zur Bekämpfung des mikrobiellen Holzabbaus möglicherweise alternative Ansätze zur gezielten Bekämpfung spezifischer Mikroorganismen erfordern.

Abstract in weiterer Sprache

Copper-based preservatives are routinely used in wood and plant protection, which leads to an accumulation of copper-tolerant microbial communities in the soil. These microbial processes of such communities can impair the effectiveness of wood preservatives and promote wood degradation, which can cause significant damage to installed wood piles. To investigate the effect of wood preservatives on the composition of fungal and bacterial communities in the surrounding soil, incubation studies were designed both in the laboratory and in the field. In the laboratory studies, five different soil environments from vineyards and orchards in northern and central Germany, northern and southern France and Portugal were investigated over several weeks under standardised conditions. Wood test specimens made of pine sapwood were impregnated either with water (H2O) as a control or with different biocide-based formulations, including copper (Cu), a mixture of copper, triazoles and quaternary ammonium compounds (CuTriQAC), and a mixture of triazoles and quaternary ammonium compounds (TriQAC). The wood test specimens were incubated for 8, 16, 24 and 32 weeks in the soil at each site and soil samples were taken both at the soil-wood interface and without wood contact. The influence of the microbial soil community on the wood test specimens was analysed on the basis of mass loss and modulus of elasticity (MOE). In the field studies, impregnated pine wood test specimens were incubated for 17 and 36 weeks at two field sites (northern Germany and central Germany) with different histories of application of copper-containing preservatives. The wood test specimens were impregnated with either CuTriQAC, Cu or H2O as a control prior to application. In addition to the soil samples, wood samples were taken at two depths (1 mm and 7 mm from the outside) of the wood test specimens to analyse the spatial dissolution in the wood. The composition of the fungal and bacterial community was analysed by quantitative polymerase chain reaction (qPCR) and amplicon sequencing of the fungal ITS region and the bacterial 16S rRNA gene. The composition of the fungal and bacterial community differed significantly between the sites in the laboratory studies, while the microbial diversity caused comparable rates of wood degradation despite these differences. Treatment with wood preservatives had a significant effect on the fungal community, while the bacterial community was less affected. The most common fungal genera exhibited lignin and/or cellulose degrading properties as well as the ability to degrade a variety of organic compounds. In the presence of Cu and CuTriQAC treatments, the relative abundance of the Trichocomaceae family increased, indicating copper-tolerant fungi. Temporal changes in the fungal community correlated with an increase in mass loss. Cu- and CuTriQAC-treated wood was characterised by lower mass loss, lower MOE and fewer fungal and bacterial gene copies during the incubation period compared to H2O- and TriQAC-treated wood. These treatments thus enabled more effective protection of the wood from microbial degradation processes, regardless of the microbial community in the soil. Potentially wood-degrading and copper-tolerant microorganisms that could favour wood degradation were present at all sites. The field studies confirmed that fungal and bacterial diversity decreases from the soil-wood interface to both wood depths, especially in the copper-containing treatments. Despite this decrease, fungi and bacteria that could degrade both wood and biocides and are potentially tolerant to heavy metals remained present in the wood. The dominant fungi were predominantly Sordariomycetes, while the dominant bacterial genera in the Cu and CuTriQAC treatments were diazotrophic. Differences between northern and central Germany were observed with respect to spatio-temporal colonisation in the wood and gene copy number. In the soil-wood interface and in the first wood depth of the Cu treatment, gene copy numbers of fungi and bacteria increased compared to the H2O treatment. In CuTriQAC-treated wood, gene copy numbers of fungi and bacteria decreased at a depth of 1 mm, while they decreased at a depth of 7 mm for fungi only. These results indicate that Cu- and CuTriQAC-treated wood exerts selection on certain microfungal Ascomycota and defined bacterial genera. In addition, the fungal and bacterial community in central Germany had a higher number of gene copies in the protected wood. In summary, Cu- and CuTriQAC-treated wood test specimens provide effective protection against microbial degradation, regardless of the origin of the microbial communities in the soil. These studies also show that potentially wood-degrading and copper-tolerant microorganisms are present in every site, indicating a long-term challenge for the use of copper-containing preservatives. The results suggest that future strategies to combat microbial wood degradation may require alternative approaches to target specific microorganisms.