Persbericht Bodemgezondheid op termijn bepalen via indicator ’microscopisch bodemleven’? Doctoraat toont onverwachte bevestiging

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 ontrafeld.

ILVO-UGent onderzoeker Lisa Joos analyseerde tijdens haar doctoraat een grote reeks bodemstalen uit veldproeven met een verschillende, gekende voorgeschiedenis, en dat zowel met chemische als met DNA- en RNA-gebaseerde methodes. De studie brengt de bodemwetenschap een stap dichter bij een microbioom-indicator voor bodemgezondheid.

“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, wat de interpretatie van een analyseresultaat complex maakt. Ten tweede ziet het ernaar uit dat de samenstelling of de aanwezigheid van bepaalde soorten micro-organismen niet meteen in staat zijn om de mate van bodemgezondheid aan te geven. 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 nog flink wat onderzoek.

Unieke aanpak: veel bodemmicrobioom analyses en sterk gespreide staalnames

De bodem is een complex, levend systeem. Onder meer ILVO onderzoekt al tientallen jaren het effect van landbouwpraktijken op bodemgezondheid. Maar het blijft 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 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 (PhosphoLipid Fatty Acids) 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 high-throughput DNA en RNA-gebaseerde sequeneringstechnieken zoals metabarcoding en metatranscriptomics. 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 mee te brengen waardoor effecten van organische toevoeging zoals compost of biochar (stabiele, inerte koolstof) op het bodemmicrobioom gemaskeerd kunnen raken door het staalname moment.
Lisa Joos: “In het veld waar 10 jaar geleden éénmalig een dosis biochar was toegediend constateerde ik een stabiel bodemmicrobioom overheen het jaar. Het veld waar jaarlijks compost werd toegediend, toonde wel sterkere 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 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. “De analyseresultaten verschilden juist 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 multifactoriële variabiliteit. 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: adaptiviteit na toegediende stress

Vanuit die vaststelling zette de onderzoekster 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 ik 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 correleerde zeer goed 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 de 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: “Niet de aard van de bodemorganismen, maar eerder de veerkracht van die totale gemeenschap aan bacteriën en schimmels ten aanzien van externe stress maakt volgens mij kans om uit te groeien tot een nieuwe indicator voor bodemgezondheid.”
Dr. Jane Debode, ILVO co-promotor van het doctoraat: “Natuurlijk zijn er geen definitieve conclusies te trekken 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 we hebben nu wel een interessante richting te pakken.”
Dr. Caroline De Tender, UGent promotor: “De incubator-verstoringstest’ is nu op twee bodems getest en de duur van de verstoring was vrij lang (5 weken). Nu kunnen we zoeken naar een snellere verstoring. De eerste stap naar een robuuste biologische indicator voor bodemgezondheid op basis van een bodemmicrobioom reactie-na-stress is gezet.”

Contact

Dr. Lisa Joos, doctoraat over bodemmicrobioom en – gezondheid ILVO – Ugent, Lisa.Joos@UGent.be, T. 0478 652915
Bart Vandecasteele - expert bodemonderzoek ILVO en promotor van Lisa Joos - bart.vandecasteele@ilvo.vlaanderen.be