European Soil-Biology Data Warehouse for Soil Protection
The Section Mesofauna currently chairs the EU COST Action “EUdaphobase”, a European consortium of presently more than 80 participants from 30 countries, including the European Commission as well as European agencies.
At least 18 EU directives presently address the protection of soil, soil ecosystem services and/or soil biodiversity. Furthermore, many soil functions leading to ecosystem services are biotically driven. Soil protection thus requires coordinated efforts for the evaluation of soil biota throughout Europe. Without proper baseline data and reliable tools for soil-state assessment, it is currently difficult to efficiently address such goals. European authorities and stakeholders therefore urgently need reliable tools for monitoring and evaluating the biotic condition of soils within policy assessment. Procedures for assessing soil biodiversity as well as establishing baselines and current states must be based on existing data and knowledge, preferably accumulated from national or local databanks.
The EUdaphobase Action is expanding the Edaphobase soil-biodiversity data platform, creating the structures and procedures necessary for developing an open-access Europe-wide data infrastructure for soil invertebrate, fungi, bacteria and archaea. The goal is to establish a pan-European data and knowledge warehouse for understanding, protecting and sustainably managing soil biodiversity and its functions. A focal approach is to combine available soil biota’s distributional & trait data with environmental metadata to gain insight into functional relationships in soils. The activities follow an information flow from data providers to users of assessment tools. The data warehouse will host and allow open sharing of data. The consortium is developing standardized terminologies, data quality-control protocols and ecological traits used as proxies for soil ecosystem services (ESS). The Action will curate, harmonize, quality check and standardize existing data according to protocols agreed upon during the Action. To operationalize assessments of the state of soil concerning biodiversity and ESS, specific analytical tools will be developed that recognize and visualize (i.e. on maps) functional biological characteristics of soils related to type, use and management practices as well as determine and delineate ecosystem services, baselines, relationships and set the basis for forecasting changes.
The Action is financed by the Horizon 2020 Program of the EU under the Action number CA18237.
MetaInvert: Metagenomisches Monitoring von Bodentiergemeinschaften
Böden sind Lebensraum für eine ungeheure Vielfalt von Tieren und Mikroorganismen, deren biologische Aktivität die Basis vieler Bodenfunktionen und Ökosystemleistungen ist. Trotz ihrer Bedeutung ist ein umfassendes Monitoring der Bodenfauna bisher nicht möglich, da Methoden fehlen, mit denen die Zusammensetzung der Wirbellosengemeinschaften, ihre Biomasse und ihre Funktionen in großem Maßstab erfasst werden könnten. In MetaInvert entwickeln wir daher die notwendigen genomischen Ressourcen, Labor- und Bioinformatik-Werkzeuge für ein Metagenom-basiertes Monitoring von wirbellosen Bodentiergemeinschaften.
Dafür erstellen wir eine Genomdatenbank für vorerst etwa 300 Arten eines breiten taxonomischen Spektrums wirbelloser Bodentiere: Springschwänze, Hornmilben, Fadenwürmer, Enchyträen, Bärtierchen, Tausendfüßer, Landasseln und mehrere andere Gruppen.
Genauigkeit und Effizienz des metagenomischen Ansatzes werden mit künstlichen zusammengestellten Bodentiergemeinschaften überprüft. Diese künstlichen Gemeinschaften ermöglichen Sensitivitäts- und Spezifizitätsanalysen im Hinblick auf die taxonomische Identifizierung und die Gewinnung von Biomasse-Informationen aus der Anzahl der sequenzierten DNA-Abschnitte.
INPEDIV
Integrative Analyse des Einflusses von Pestiziden und Landnutzung auf die Biodiversität in Deutschland
Im von der Leibniz-„Kooperative Exzellenz“ geförderten Projekt INPEDIV untersuchen wir die Folgen der ökologischen und konventionellen Landwirtschaft auf die Biodiversität in deutschen Schutzgebieten. INPEDIV ist ein interdisziplinäres Gemeinschaftsprojekt von sieben Partnerinstituten unter der Leitung des Zoologischen Forschungsmuseums Alexander Koenig in Bonn und wird im Rahmen des Leibniz-Wettbewerbs seit Anfang 2019 bis Ende 2023 gefördert. Unter Verwendung etablierter Methoden und neuer Technologien untersuchen wir gemeinsam die Auswirkungen der landwirtschaftlichen Bodennutzung mit besonderem Schwerpunkt auf die Wirkung von Pestiziden auf eine Vielzahl von Pflanzen- und Tiergruppen. Die Untersuchungsflächen befinden sich im Rheinland und in Brandenburg.
Im Hinblick auf diese Ziele untersuchen die Bodenzoolog*innen von Senckenberg Görlitz die relative Bedeutung lokaler und landschaftlicher Faktoren für die Diversität und Abundanz von Bodentieren und die bodenbiologische Aktivität. Der Schwerpunkt auf Artniveau liegt dabei auf den Hornmilben (Oribatida), Fadenwürmern (Nematoda) und Regenwürmern (Lumbricidae). Wir untersuchen, wie sich ihre Muster entlang eines Gradienten der Pestizidbelastung, des Bodennährstoffgehalts und der Bewirtschaftungsintensität verändern – vom Ackerland in die angrenzenden Schutzgebiete.
In enger Zusammenarbeit mit Kolleg*innen vom ZALF und der Universität Bonn untersucht die Görlitzer Abteilung Botanik Veränderungen in der Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften von Ackerflächen zu Trockenrasen mit Schwerpunkt auf der Übergangszone. Wir messen außerdem Unterschiede in den Bodennährstoffbedingungen und kartieren Unterschiede in der Landschaftsstruktur mithilfe von GIS-basierten Analysen von Drohnenbildern.
Project VIRMISCO
The Virtual Microscope Slide Collection
Entwicklung von Standards zur fotografischen Dokumentation lichtmikroskopischer Dauerpräparate in prekären Einschlussmedien
Die wissenschaftlich motivierte Digitalisierung wird nicht als neue Technik, sondern als Normalfall verstanden.
DFG-Praxisregeln „Digitalisierung“ 02/2013 gefördert vom DFG: DFG XY 12/6-1
Durch diese Digitalisierung wird der Forschung der schnelle Zugang zu den Objekten ermöglicht und die Originale werden geschont. Die Vernetzung der unterschiedlichsten online verfügbaren Ressourcen schafft eine Forschungs-Infrastruktur, die der Wissenschaft ganz neue Möglichkeiten eröffnet. Für die Nutzung der digitalen Abbilder der Objekte in der Forschung müssen die Digitalisate unter den gleichen dokumentierten Bedingungen hergestellt worden sein. Das erfordert die Festlegung klarer Standards für die Digitalisierung.
Für transparente und semitransparente dreidimensionale mikroskopische Objekte, wie z.B. Mikroinvertebraten oder mikroskopische Teile von Pilzen, Pflanzen oder anderen Tieren, befindet sich diese Entwicklung von Standards noch im Anfangsstadium. In diesem durch die DFG geförderten Projekt sollen diese Standards und Empfehlungen entwickelt werden.
Wir empfehlen als Standard zur Digitalisierung von dreidimensionalen Objekten in mikroskopischen Dauerpräparaten von Bodentieren: (1) die Herstellung von Bildserien über verschiedene Fokalebenen bzw. von optischen Schnitten (Z-Stapel); (2) die Verwendung eines Mikroskops mit Motorfokus; (3) min. ein Bild mit Maßstabsbalken und Längenmaß; (4) Hellfeldmikroskopie, insbesondere Differentialinterferenzkontrastes (DIC); (5) als Metadaten sollten folgende Daten aufgenommen werden: Hersteller/Person der Aufnahmen, Aufnahmedatum, Hersteller/Typ von Mikroskop, Typ/Hersteller von Kamera.
Die Vorteile von Virmisco:
- Virtueller Zugang zu Sammlungen
für taxonomische Studien, wie Typus-Material: Ausleihen werden obsolet und verhindern Beschädigungen oder Verlust, vor allem bei altem oder in schlechten Zustand befindlichen Material. - Neue Möglichkeiten von taxonomischen Publikationen: Die Hinterlegung von Bildserien in VIRMISCO als Ergänzung zur Beschreibung führt zu einer objektiveren und nachvollziehbareren Dokumentation der untersuchten Objekte.
- Lehre und taxonomische Ausbildung, da es eine virtuelle Referenz-Sammlung darstellt.
Virmisco enthält mehr als 4.700 Bildserien von ca. 172 Arten und über 354 Typen aus Sammlungsmaterial des Senckenberg Museums für Naturkunde Görlitz; Acari (Gamasina, Uropodina, Oribatida), Collembola, Myriapoda (Diplopoda, Chilopoda, Pauropoda), Nematoda, Plathelminthes, Tardigrada, Insecta (Diptera).
Projekt Hühnerwasser
Primärsukzession
Zusammen mit der BTU Cottbus werden seit 2005 die räumlichen und zeitlichen Kolonisationsdynamiken von Bodentieren in einem 6-ha großen künstlich hergestellten initialen Ökosystem untersucht. Bis 2009 erfolgten die Untersuchungen im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereichs Transregio 38. Bereits wenige Wochen nach ihrer Entstehung waren die neuen Böden mit Nematoden und Mikroarthropoden besiedelt. Die Sektionen Mesofauna, Nematoda, Apterygota, Arachnida und Oribatida untersuchen die zeitliche Abfolge der Besiedlung durch weitere Arten, den Populationsaufbau bereits immigrierter Arten innerhalb der Untersuchungsfläche und somit den räumlich-zeitlichen Gemeinschaftsaufbau während der Primärsukzession. Neben der Abhängigkeit solcher Prozesse von dem gleichzeitig stattfindenden Vegetationsaufbau und der Bodenentwicklung, werden die ökologischen Ansprüche primärbesiedelnder Arten sowie der zeitliche Aufbau der trophischen Ebenen im Bodennahrungsnetz untersucht.
Projekt GBOL
German Barcode of Life – Inventarisierung und molekularbiologische Charakterisierung der Tiere, Pflanzen und Pilze Deutschlands
Innerhalb der GBOL-Kooperative deutscher Forschungsinstitute, gefördert durch das BMBF, inventarisierten Senckenbergs Bodenzoolog*innen ausgewählte Bodentiergruppen Deutschlands:
Collembola (Springschwänze), Nematoda (Fadenwürmer), Oribatida (Hornmilben), Gamasina (Raubmilben) im Teilprojekt GBOL4, sowie Myriapoda (Hundert- und Tausendfüßer) Ostdeutschlands für das Teilprojekt GBOL1. Die Inventarisierung sah auch die Erstellung eines genetischen Fingerabdrucks (DNA-Barcode) vor und lieferte so für Deutschland erste Kenntnisse für eine Einschätzung der Bodenbiodiversität auf genetischer Ebene.
Auf der Grundlage von Bodentieren, die in ganz Deutschland gesammelt wurden, und ihren molekularen Daten war es möglich geworden, kryptische Artengruppen aufzuspüren und zu entschlüsseln sowie die intraspezifische Diversität zwischen geographisch entfernten Populationen zu ermitteln.
Kontakt:
Dr. Karin Hohberg +49 3581 476055-31, karin.hohberg@senckenberg.de
Dr. Ulrich Burkhardt +49 3581 476055-89, ulrich.burkhardt@senckenberg.de
Weiterführende Informationen zum Gesamtprojekt unter www.bolgermany.de
Projekt BiK-F
Funktionelle Anpassung bodenlebender Destruenten an den Klimawandel
Im Projekt „Wald der Zukunft“ des LOEWE Forschungszentrums “Biodiversität und Klima” (BiK-F) wurden die Auswirkungen südeuropäischer Eichenarten auf die einheimische Bodenfauna und v. a. bodenbiologische Prozesse des Streuabbaus (Dekomposition) untersucht. In der südhessischen Rheinebene traten trockenheitsbedingt schwere Schäden in bestehenden Eichenwäldern auf, weshalb trockenresistentere Eichenarten aus dem südeuropäischen Raum hinsichtlich ihres Potenzials als zukünftige Waldbäume evaluiert wurden.
Begleitend wurde untersucht, welche Auswirkungen die Streu dieser Eichenarten (Quercus ilex, Q. frainetto und Q. pubescens) auf die Bodenfauna und ihre Funktionen hatten. Ein Langzeit-Monitoringprogramm dokumentierte mögliche gemeinschaftsökologische Veränderungen der einheimischen Streudestruenten. Präferenz- und Umsatzversuche im Labor untersuchten die Fähigkeit der wichtigsten „Laubfragmentierer“, die Streu der Versuchsbäume im Vergleich zu einheimischen Laubarten (Q. robur, Fagus sylvatica) abzubauen. Netzbeutelversuche maßen die Abbauraten und Dekompositionswege dieser Baumarten im Freiland.
Project Antarctis
The role of human activities in the introduction of non-native species into Antarctica and in the distribution of organisms within the Antarctic
UBA Research & Development Project 01.10.2009 – 30.09.2011
FKZ 3709 85 157a
The main goal of the project was to assess the potential influence on Antarctic terrestrial ecosystems by increasing tourism. The project aimed at estimating the anthropogenic influence on the distribution of organisms within as well as on the introduction of non-native species into Antarctica, both in areas frequently visited by tourists and near research stations. Furthermore, the efficiency of possible preventive and precautionary measures was be investigated and evaluated.
Changes in species’ distributions are best considered within the framework of landscape ecology, which is, however, difficult to study in continents such as Antarctica. Due to their very small radius of action and their extreme habitat fidelity, soil organisms allowed the study of landscape-level processes at very small spatial scales. Taxonomically, soil organisms have been relatively well studied in Antarctica and are important, species- and individual-rich components of terrestrial ecosystems, especially in biotically relatively simple ecosystems as in Antarctica. Therefore, the present study concentrated on soil organisms (flora and fauna), which allowed the research questions to be answered in a necessarily limited area of the Antarctic Peninsula.
Although literature concerning Antarctic soil flora and fauna as well as biological databanks for the Antarctica exist, with which taxonomic results could be compared, data from the possible origins of neobiota, e.g., the southern regions of South America, was practically non-existent. It was thus nearly impossible to evaluate whether detected but unknown species were undescribed endemics of Antarctica or originated from southern hemispheric continents. The evaluation of possible anthropogenic affects on species’ distributions was therefore be approached indirectly at different levels:
- Changes in the ß-diversity, i.e. the biodiversity of different microhabitats, within single locations. Especially in fragile and ecologically limited ecosystems as in Antarctica, undisturbed sites contain diverse microhabitats. These microhabitats harbour different species compositions and community structures, i.e. ß-diversity is high. In locations with high tourism pressure, species introduction can be higher between microhabitats of a single location than between continents, resulting in a biotic homogenisation of microhabitats and an overall reduction in the ß-diversity of a location.
- Zoogeographical distribution patterns. Different locations along the coast of Antarctica will be sampled, allowing the evaluation of the biogeographical distribution patterns of the registered species at larger spatial scales. In sites with high tourism pressure, a species composition containing more species with a wide distribution range and fewer locally endemic species than undisturbed sites, can indicate an anthropogenic influence on the distribution patterns of Antarctic organisms. Depending on the presence of locally endemic or more widely distributed species, possibly endangered locations (i.e., those with high levels of endemism) will be identified that should be exempted from tourism.
- Possible direct proof of introduced species. Despite the lack of taxonomic knowledge of southern-hemispheric soil organisms, introduction of some non-native species in Sub Antarctic islands, where the climatic conditions are not as harsh, is known. Registration of these species on the Antarctic continent – while not very probable due to climatic differences – will directly and explicitly indicate the introduction of none-native species.
- Evaluation of possible direct mechanisms of species introduction (“bootwashing”). A likely mechanism of species’ introduction is direct dispersal by, i.e., the footwear of visiting tourists. Therefore, the shoes and boots of tourists will be sampled and studied before and after visiting locations on the Antarctic continent for the presence of soil organisms.
The research project was commissioned by the German Federal Environment Agency and is carried out by the Senckenberg Museum of Natural History Görlitz, Germany, in close co-operation with international experts on soil invertebrates (Mikhail Potapov, Moscow; Alexander Brückner, Vienna; Sandra McInnes, Oxford). It is graciously supported by two cruise tour operators (Hapag-Lloyd and Delphin Tours) and their expedition leaders.
In the Antarctic summer of 2009/2010 soil samples were taken from nine different sites of the Antarctic Peninsula; six of which were frequently visited by tourists, three by research personal .
Sampling occurred in a statistical block design, comparing areas of high human impact with closely neighbouring areas without impact. Samples were transported back to Germany, where soil animals were extracted by various methods – on average 1-2 weeks after sampling – and then sorted into the animal groups Collembola, Oribatida, Gamasina, Prostigmata, Nematoda and Tardigrada. All animals were individually embedded on microscopic slides and determined to species level by the participating European taxonomic specialists. Ground vegetation occurring on the samples (mostly mosses, lichens and algae) were determined directly after animal extraction. Soil chemical and physical analyses of the samples were subsequently performed to ensure comparability of the contrasted sampling areas.
Determination of some animal groups is still ongoing. To date over 70 species of soil organisms have been identified, with many more still expected. Antarctic sites frequented by tourists are generally areas with high wildlife density (penguins, seals). The influence of this wildlife on soils and soil organisms can mask human trampling effects. Despite such difficulties, reduced
Example of the microarthropod densities in the sampling sites of one location (Arctowski Station, King George Island) densities in human-impacted areas could be detected for soil animals in general and especially for Collembola and Oribatida. These preliminary results were, however, site specific. Due to the still ongoing determination, effects on total species richness have not yet been determined. Nonetheless, based on data from Collembola and Oribatida, a reduced variability between species assemblages of human-impacted sites could be statistically identified, albeit somewhat marginally. This indicates a reduced ß-diversity of soil animal communities (“community homogenization”) within these localities due to human influence. This must still be confirmed with the data from all organism groups. As of yet, possibly introduced non-indigenous species (Collembola, Prostigmata) have only been identified from one location (Deception Island). Especially this site has a long history of human activity and, in particular, has warmer soils due to volcanic activity, which allows occurrence of species not adapted to Antarctic environmental conditions.
In the Antarctic summer of 2010/2011 seven sites – five of which were different from the previous year – were sampled as described above.
Sample processing, again as stated above, is presently ongoing. Additionally, on one cruise ship tour, the efficacy of on-board boot-washing techniques was tested by spot tests of a representative subset of the passenger’s boots after they were returned to the passenger’s lockers. Preliminary results show that boot-washing was not 100% effective, as sporadic individuals of soil animals (mainly Nematoda) could be identified from the boots after disinfection and boot-washing. This is most probably not due to an inherent inefficiency of the boot-washing methods, but rather to tourist behaviour regarding the methods. Furthermore, it could not be determined whether the soil animals remained
viable after disinfection, which should be tested by direct ecotoxicological experiments with the disinfectant. Final results of the study are expected by mid-2012.
Besides direct comparison of the identities of registered species with known non-native species, the biological data will be analysed using various biodiversity parameters (α-, β- and γ-diversity) of microhabitats, locations and all locations together. Comparison of the ß-diversity within anthropogenically influenced and relatively uninfluenced sites will allow identification of the level of disturbance on species’ distributions and thus potential introduction of species at small spatial scales. Based on the observed distribution of registered species throughout all sampling sites, species will be indentified that have wide and limited (= “locally endemic”) distributions. The proportions of these species groups will then be evaluated for each sampled location. A comparison of these proportions in touristically frequently and infrequently visited locations will provide an indication of anthropogenic species dispersal at larger spatial scales.
Projekt Partner
German Federal Environmental Agency (Section I 3.5 – Protection of the Antarctic)
Fritz Hertel
Senckenberg Museum für Naturkunde Goerlitz, Germany
Dr. Axel Christian (Gamasida)
Dr. Karin Hohberg (Nematoda)
Dr. Volker Otte (Mosses, Lichens)
Dr. David Russell (Actinedida)
Pedagogical University Moscow, Russia
Dr. Mikhail Potapov (Collembola)
University of Natural Resources and Life Sciences Vienna, Austria
Prof. Dr. Alexander Brückner (Oribatida)
British Antarctic Survey, Cambridge, UK
Dr. Sandra McInnes (Tardigrada)