In de bodem is een uiterst diverse gemeenschap aan micro-organismen zoals bacteriën en schimmels actief, het zogenaamd bodemmicrobioom. Tussen dit microbioom en bodemgezondheid bestaat er een verband. Hoe dat ineen zit is echter nog niet geheel duidelijk, maar ILVO-UGent onderzoeker Lisa Joos ging de uitdaging aan om dit verder te ontrafelen tijdens haar doctoraat. Deze studie brengt de bodemwetenschap een stap dichter bij een microbioom-indicator voor bodemgezondheid.

Op de website van ILVO kan je het persbericht nalezen waarop dit nieuwsbericht is gebaseerd.

Ten eerste blijkt dat de staalname op zich (tijdstip, diepte en locatie binnen een veld) een sterke invloed heeft op de samenstelling van het bodemmicrobioom. Ten tweede ziet het ernaar uit dat de samenstelling of de aanwezigheid van bepaalde soorten micro-organismen niet meteen de mate van bodemgezondheid kan aangeven. Daarentegen kan de grootte van de microbioomreactie op een toegediende stress misschien wél de basis vormen voor een indicator van bodemgezondheid. Zulk een bodemgezondheidstest bevestigd en gevalideerd krijgen als meetinstrument kost echternog flink wat onderzoek.

Unieke aanpak: veel bodemmicrobioom analyses en sterk gespreide staalnames

De bodem is een complex, levend systeem. Het blijft, ondanks tientallen jaren onderzoek, onduidelijk welke biologische parameters dit betrouwbaar, precies en vlot meten. Men telt nu bijvoorbeeld aanwezige regenwormen, of bepaalde soorten aaltjes of schimmels. In dit onderzoek is ervoor gekozen om opvallend veel verschillende bodemstalen te nemen en daar telkens het volledige microbioom van te bepalen, in de hoop om op termijn tot een microbioom-indicator voor bodemgezondheid te komen. De staalnames gebeurden gespreid in de tijd (een heel jaar door om de 5 weken), op verschillende dieptes en uit meerdere proefvelden die verschilden in bodemgezondheid en elk een andere organische toevoeging hadden gekregen.

Gebruikte analysemethodes voor het bodemmicrobioom

Voor het bepalen van dit bodemmicrobioom maakte Lisa Joos gebruik van zowel standard chemische analyse technieken als meer nieuwere DNA/RNA gebaseerde technieken. Een eerste standaard chemische techniek is PLFA (PhosphoLipid Fatty Acids). Aangezien de samenstelling van de vetzuren in de diverse bodemorganismen verschillen, kan de biomassa van de in de bodem aanwezige micro-organismen met de PLFA methode gemeten worden. HWC (heet water extraheerbare koolstof) is de tweede chemische methode die gebruikt werd om de microbiële biomassa op basis van koolstof te bepalen. Deze twee technieken werden vergeleken met de DNA/RNA gebaseerde technieken. Hier wordt een vingerafdruk (barcode) gemaakt van alle organismen die aanwezig zijn in het geteste bodemstaal, maar de identificatie van de organismen is veel gedetailleerder.

Tijdstip van de staalname beïnvloedt samenstelling bodemmicrobioom

Veel onderzoeken rond bodemmicrobioom steunen hun verhaal op één of op een zeer beperkt aantal tijdspunten. Nu blijkt dat het tijdstip van de staalname in het seizoen belangrijke wijzigingen in het bodemmicrobioom met zich meebrengt waardoor effecten van organische toevoeging zoals compost op het bodemmicrobioom gemaskeerd kunnen raken door het staalname moment. Een veld waar jaarlijks compost werd toegediend, toonde sterke veranderingen in de microbioomsamenstelling. Met een belangrijke nuance: de grootste waargenomen schommelingen hadden te maken met het tijdstip waarop de bodemstalen waren genomen, en niet met de soort organische toedieningen.

Plek en diepte van de staalname beïnvloedt samenstelling bodemmicrobioom

Een andere opmerkelijke vaststelling gebeurde bij het onderling vergelijken van de bodemmicrobioom analyses uit de vier controleplots. Controleplots zijn veldjes die in een proefopzet geen enkele behandeling ondergaan. De hypothese was dat het bodemmicrobioom van deze vier controleveldjes onderling vrij gelijklopend zou zijn. Toch verschilden de analyseresultaten net onderling sterk qua samenstelling, ongeacht welk tijdstip werd bestudeerd, terwijl ze dus eenzelfde ‘nulregime’ kregen en soms nog geen 40 meter van elkaar lagen.

Ook een vergelijking van het bodemmicrobioom op twee dieptes, namelijk 0-10 cm en 10-30 cm leverde in de analyseresultaten sterke verschillen: de bovenste laag is meer blootgesteld aan allerlei omgevingsfactoren, met wellicht sterkere variabiliteit overheen de tijd tot gevolg dan wanneer er dieper wordt gesampeld.

Het grote aantal metingen bracht het inzicht dat bodemmicrobioom gevoelig is voor variabiliteit binnen verschillende factoren. De procedure rond het nemen van de grondstalen is bijgevolg belangrijk om nadien betekenisvolle vergelijkingen of modellen te kunnen maken. Als het tijdstip, de plaats en de diepte niet nauwkeurig zijn vastgelegd weet je niet hoe groot de foutmarge is op uitspraken over bodemgezondheid. Ten tweede moeten we uitkijken met conclusies op basis van weinig of slechts één metabarcoding analyse van één staalname-tijdstip, diepte of plek.

Een hypothese: veerkracht na toegediende stress

Vanuit die vaststelling zette onderzoekster Lisa Joos een stap naar een incubatortest. Daarmee sluit je omgevingsfactoren die ruis veroorzaken bij veldwaarnemingen uit. Onder gecontroleerde omstandigheden stel je het bodemmicrobioom bloot aan stressfactoren, waarbij je heel precies de toestand voor en na de stress vastlegt en de twee scores vergelijkt.

De ‘toegediende stresservaring’ bestond uit drie achtereenvolgende behandelingen: 1. ze werden nat gemaakt (zgn. plotse grote regenval), 2. ze werden aan droogte onderworpen, 3. ze kregen de inerte organische stof chitine toegediend, een poeder op basis van skelet van insecten of kreeftachtigen.

De mate van verandering koppelde Lisa vervolgens met de bodemgezondheid van de bestudeerde gronden, vanuit de hypothese dat het bodemmicrobioom gevoeliger reageert op stress in een minder gezonde bodem. Hoe ongezonder de bodem, hoe meer veranderingen in de samenstelling van het microbioom. De resultaten van de incubatortest voor en na stress, bevestigden de hypothese verrassend goed. De grootte van de verandering in het bodemmicrobioom voor en na stress hield zeer goed verband met de reeds gekende bodemgezondheid.

Besluit: aanpassingsvermogen lijkt betere indicator dan samenstelling van microbioom op zich

In de incubatortest van dit doctoraat vertoont het bodemmicrobioom van een gezonde bodem minder verschuivingen na iedere stressor, in vergelijking met het microbioom uit de ongezondere bodems. De grootte van de reactie van het bodemmicrobioom op korte-termijnverstoringen correleert mooi met de mate van bodemgezondheid.

Onderzoeker Lisa Joos besluit dat niet de aard van de bodemorganismen, maar eerder de veerkracht van die totale gemeenschap aan bacteriën en schimmels ten aanzien van externe stress kans maakt om uit te groeien tot een nieuwe indicator voor bodemgezondheid.

Dr. Jane Debode, ILVO co-promotor van het doctoraat, zegt dat er geen definitieve conclusies te trekken zijn op basis van de beperkte hoeveelheid onderzochte bodems. Via veel herhalingen op andere bodems en in andere teeltomstandigheden moet deze methode nog verder uitgewerkt en gevalideerd worden. Maar dit is interessante piste om verder te onderzoeken.

De incubator-verstoringstest’ is nu op twee bodems getest en de duur van de verstoring was vrij lang (5 weken). Nu kan er gezocht worden naar een snellere verstoring. De eerste stap naar een robuuste biologische indicator voor bodemgezondheid op basis van een bodemmicrobioom reactie-na-stress is met dit onderzoek wel gezet.

Meer info?
Lisa Joos, doctoraat over bodemmicrobioom en -gezondheid ILVO – Ugent, Lisa.Joos@UGent.be
Jane De Bode, expert bodemmicrobioom & ILVO- co-promotor, Jane.debode@ilvo.vlaanderen.be
Caroline De Tender, microbioomonderzoek & promotor, Caroline.Detender@UGent.be