Bilgi

Toprak mikrobiyolojisi referansı


Toprak Mikrop Ekolojisi ve Biyolojisi üzerine iyi bir referansın peşindeyim. Ben bir biyofizikçiyim ve "Topraktaki Yaşam"ın (James Nardi) çok nazik yaklaşımını okudum. Tavsiye ettiğim bir diğer kitap ise Krasil'nikov'un "Toprak Mikroorganizmaları ve Yüksek Bitkiler: Canlı Topraklar Üzerine Klasik Metin". Bunu çok zor buldum ve aynı konuda daha modern bir şey olup olmadığını merak ediyordum.


Azot Döngüsü (Diyagramlı) | Toprak Mikrobiyolojisi

Azot, biyolojik sistemlerin yanı sıra atmosferin ana kütlesini (%78) oluşturur. Çeşitli azotlu bileşikler, örneğin proteinler, enzimler, klorofiller, nükleik asitler, vb. organizmaların yaşam süreçlerinde hayati roller oynar.

Atmosferik nitrojen kimyasal olarak inerttir ve canlı organizmaların çoğu tarafından doğrudan alınmaz. İkincisi, bu nedenle, büyümeleri için birleştirilmiş nitrojen veya organik nitrojen bileşikleri kaynağına bağlıdır.

Topraktan azotlu bileşikler elde ederler ve bunları sağlıklı gelişimleri için gerekli olan temel biyomoleküllere dönüştürürler. Ek olarak, atmosferik azotun büyük rezervuarının bir kısmı, bazı serbest yaşayan mikroorganizmalar ve onu bitkilere sunan bitki-mikroorganizma birlikleri tarafından organik bir forma dönüştürülür.

Hayvanlar onu bitkilerden alır. Atmosferdeki nitrojen yüzdesi, doğadaki nitrojen döngüsünün çalışmasıyla sabit kalır.

Azot, denitrifiye edici bakterilerin etkisiyle sürekli olarak havaya girer ve nitrojeni sabitleyen mikroorganizmaların, yıldırımların ve yapay gübrenin endüstriyel üretiminin etkisiyle sürekli döngüye geri döner.

Serbest atmosferik nitrojenden sabit inorganik nitrojene, basit organik bileşiklere, mikroorganizmaların, bitkilerin ve hayvanların dokularındaki karmaşık organik bileşiklere kadar olan bu değişim dizisi ve bu nitrojenin nihai olarak atmosferik nitrojene salınımı, ‘azot başlığı altında ele alınmaktadır. döngüsü’ (Şekil 30.2).

Azot döngüsünün işleyişinde önemli rol oynayan mikroorganizmalar aşağıdaki dört ana gruba ayrılabilir:

Atmosferik nitrojeni sabitleyebilen (biyolojik nitrojen fiksasyonu), yani serbest nitrojeni diğer elementler veya bileşiklerle birleştirebilen mikroorganizmalar.

Amonyak üretimine, yani amonyaklaştırmaya neden olan mikroorganizmalar.

Amonyağı nitrite ve nitriti nitrata oksitleyen mikroorganizmalar, yani nitrifikasyon.

Nitratları nitrojen veya nitröz okside dönüştürebilen mikroorganizmalar, yani denitrifikasyon.

1. Serbest Azotun Sabitlenmesi (Biyolojik N2-sabitlenmesi):

Çok sayıda mikroorganizmanın, atmosferik azotu azotlu bileşiklere indirgeme yeteneğine sahip olduğu bilinmektedir. Moleküler (atmosferik) azotun mikroorganizmalar tarafından azotlu bileşiklere dönüştürülmesine ‘biyolojik azot fiksasyonu’ denir.

2. Amonyaklaştırma:

Bitki ve hayvanların ölü kalıntılarının proteinleri ve nükleik asitleri ve hayvanların boşaltım ürünleri, amonyak salınımı ile mikroorganizmalar tarafından parçalanır. Bu işleme ‘amonifikasyon’ denir.

Amonyaklaştırmada aşağıdaki iki farklı adım söz konusudur:

(ii) Amino asit bozulması.

Proteinin daha basit formlarına parçalanmasına proteoliz denir. Bir dizi bakteri türü, örneğin Clostridium spp. Pseudomonas, Proteus, Bacillus ve toprak aktinomisetleri ve birçok mantar son derece proteolitiktir.

Hücre dışı enzimi, yani proteini daha küçük birimlere (peptidler) dönüştüren ve daha sonra diğer proteolitik enzimler tarafından saldırıya uğrayan ‘peptidazlar’ adlı hücre dışı enzimi salgılarlar, yani ‘peptidazlar’ sonuçta amino asitlerin salınmasına neden olur.

Genel süreç aşağıdaki gibi reaksiyonlar şeklinde özetlenebilir:

(ii) Amino Asit Bozunması:

Amino asitler artık mikrobiyal saldırı ile bozunmaya uğrarlar. Amonyak verecek şekilde deamine edilirler (yani amino grubunun çıkarılması). Mikroorganizmalar toprakta çeşitli deaminasyon reaksiyonları sergilerler, nihai ürünlerden biri her zaman amonyaktır.

3. Nitrifikasyon:

Gübrelerin ve organik maddelerin bozunmasıyla üretilen amonyak, onu kullanabilen bitkiler için bile doğrudan mevcut olmayabilir, çünkü topraktan kolayca süzülür ve genellikle belirli mikroorganizmaların yardımıyla nitrata dönüştürülür. Amonyağın nitrata bu dönüşümüne (oksidasyonuna) ‘nitrifikasyon’ denir. Nitrifikasyon, spesifik bakteriler tarafından iki aşamada gerçekleştirilir.

(i) Amonyağın Nitrite Oksidasyonu:

Nitrosomonas, toprakta amonyağın nitrite oksidasyonunun en önemli ajanlarıdır. Ayrıca, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira, Nocardia ve Streptomyces gibi bazı diğer bakterilerin NH'yi oksitlediği bilinmektedir.2nitrite.

(ii) Nitritin Nitrata Oksidasyonu:

Nitritin toprakta nitrata oksidasyonu, esas olarak Nitrobacter cinsine ait olan bakterilerin aktivitelerine bağlıdır. Ayrıca bazı mantarların, örneğin Cephalosporium, Aspergillus ve Penicillium'un nitrifikasyon gerçekleştirebildiği bildirilmiştir. Nitrifikasyonun biyolojik bir süreç olduğu Schloesing ve Muntz (1877) tarafından keşfedildi. Winogradsky, 1890'da biyolojik nitrifikasyondan sorumlu bakterileri izole etti.

4. Denitrifikasyon:

Nitratların belirli mikroorganizmalar tarafından azot gazına veya azot okside dönüştürülmesine (indirgenmesi) ‘denitrifikasyon’ denir. Bu işlem, bitki büyümesi için gerekli bir besin olan nitrojeni topraktan tüketir ve bu nedenle arzu edilmez.

Bu süreçten sorumlu bazı önemli mikroorganizmalar Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans ve bazı Serratia, Pseudomonas, Bacillus, Achromobacter ve Paracoccus türleridir. Denitrifikasyon işlemi, ‘redüktaz’ enzimlerinin varlığında çeşitli basamaklarla tamamlanır.

Genel reaksiyon aşağıdaki gibidir:

Denitrifikasyon, orta düzeyde nitrat ve organik madde içeren iyi havalandırılmış topraklarda önemli derecede gerçekleşmez. Organik madde içeriği yüksek, su birikintisi olan anaerobik topraklarda ciddi şekilde oluşur.


Tanıtım

Genellikle büyük ve karmaşık mikrobiyomları göz önüne alındığında, topraklar Dünya'daki mikrobiyal biyoçeşitlilik için sıcak noktalar olarak kabul edilebilir. Sonuç olarak topraklar, yaşam destek fonksiyonları (LSF) olarak kabul edilen, Dünya'daki yaşam için gerekli olan çok sayıda biyolojik hizmet sunmaktadır. Bu LSF şunları içerir:

Gıda, yem, lif ve biyoenerji mahsullerinin büyümesi de dahil olmak üzere sürdürülebilir bir biyo-ekonominin temeli olarak “verimli toprak” sağlanması

Tarımsal üretim için kullanılmayan alanlarda doğal, tehdit edilmemiş bir bitki biyoçeşitliliğinin korunması

Yeraltı suyu kütlesine girmeden önce topraktaki kirleticileri filtreleyerek ve parçalayarak içme suyunun korunması

Erozyondan korunma

Atmosferik CO için bir lavabo görevi görme potansiyeli2.

Ayrıca, topraklar CH4 gibi sera gazlarının kaynağı ya da yutağı olarak önemli rollere sahiptir.4, metil bromür ve N2O ve arazi yönetimi uygulamalarının altında yatan süreçler üzerinde büyük etkisi vardır (Van Elsas et al. 2007).

Bununla birlikte, devam eden küresel değişimin bir sonucu olarak toprağın bu çok işlevliliği büyük ölçüde tehlikededir. İklim değişikliği, yalnızca uzun vadede sıcaklıkta bir artışa neden olmakla kalmaz, aynı zamanda uzun süreli kuraklık dönemleri veya şiddetli sel gibi aşırı hava olaylarının sıklıklarının artmasıyla da ilişkilidir. Bunların yanı sıra artan arazi kullanım yoğunlukları (örneğin aşırı otlatmaya ve tarımsal üretimin azalmasına neden olur), madencilik ve kirlilik ek zorluklar doğurur. Ayrıca, arazi kullanımı ihtilafları, genellikle kentleşme ve buna bağlı olarak oluşan sızdırmazlık nedeniyle yüksek kaliteli topraklara sahip alanları azaltır. Bu nedenle, iklimsel ve antropojenik güçler tarafından yönlendirilen kalıcı toprak bozulması tehdidi, yakın zamanda Avrupa Birliği tarafından teşvik edildiği gibi, toprakların korunmasına yönelik katı direktiflerin geliştirilmesine öncelik vermektedir (www.ec.europa.eu/environment/soil/index_en.htm) . Bu bağlamda, toprakların çok işlevliliğinin olası kayıplarına karşı bir erken uyarı sistemi kurmak için toprak kalitesinin izlenmesi için sağlam, güvenilir ve dayanıklı biyolojik göstergelerin geliştirilmesinin önemi vurgulanmıştır.

Tanım olarak, bu tür göstergeler kolay ölçüme izin vermeli ve geliştirildikleri amaç için doğru olmalıdır. Ayrıca maliyetlerin düşük tutulması avantajlı olacaktır. Bu nedenle, toprak kalitesinin biyolojik göstergelerini tanımlamak için, esas olarak toprak biyotasının “görünür” kısımlarına, yani toprak makrofaunasına odaklanan birkaç geçmiş çaba olmuştur (Stott ve diğerleri, 2009). Oysa, bu tür göstergeler gerçekten iyi kurulmuş ve toprak mikrobiyomunun (veya mikrobiyal anahtarın) durumunu tanımlayan göstergeler (örneğin, solucanların veya nematodların bolluğu ve/veya çeşitliliği (ISO 11268)), çeşitli kılavuzlarda kendilerine yer bulmuşlardır. oyuncular) hala nadirdir. Halihazırda var olan göstergeler, mikrobiyal biyokütle, küresel veya potansiyel mikrobiyal aktivite modelleri veya potansiyel enzimatik aktiviteleri belirleyen testler gibi geleneksel parametrelerle örneklendiği gibi, çoğunlukla toplam veya kara kutu parametreleri olarak adlandırılan parametrelere dayanmaktadır (Nannipieri ve diğerleri, 2003 ayrıca bkz. Tablo 1 ). Örneğin, Andrews ve diğerleri tarafından verilen toprak kalitesini değerlendirmek için kullanılan on göstergeden. (2004), sadece ikisi (mikrobiyal biyokütle C ve potansiyel N mineralizasyonu) mikrobiyolojik toprak özelliklerini ele almaktadır. Son zamanlarda, fonksiyon hakkında rapor veren belirli oranların kullanımına dayanan bir alternatif önerilmiştir. Böylece, metabolik bölüm (C-CO2/mikrobiyal biyokütle C) veya enzim aktivitesi ile mikrobiyal biyokütle arasındaki oran odak haline gelmiştir (Nannipieri et al. 2003, 2012). Bununla birlikte, toprak mikrobiyolojik süreçlerine hala vurgu yapılmamaktadır ve bu, ISO tarafından standartlaştırılan toprak kalitesini analiz etme yöntemleri dikkate alındığında da ortaya çıkmaktadır (https://www.iso.org/committee/54366/x/catalogue). /Tamamlandı). Önerilen 52 yöntemin çoğu, toprak makrofaunasının ve/veya bitkilerin özelliklerini kalite göstergeleri olarak kullanır. Ayrıca, yakın zamanda geliştirilmekte olan 13 yeni yöntem, toprak mikrobiyomunu ve fonksiyonel özelliklerini analiz edecek araçları içermiyor. Yine de, Aralık 2016 tarihli ISO standardı 17601:2016'nın artık toprak mikrobiyomu DNA'sını (https://www.iso.org) kullanarak kantitatif PCR ile seçilen mikrobiyal gen dizilerinin bolluğunu belirlemeyi amaçlayan yöntemleri açıkladığını belirtmek cesaret vericidir. /komite/54366/x/katalog/tamamlandı). Karmaşıklıkları da dahil olmak üzere bu tür yöntemlerin genel bir açıklaması Tablo 1'de sunulmaktadır. Bununla birlikte, özelliklerin seçimi bu gelişmenin gerisinde kalmaktadır. Bu nedenle, çoğu toprak LSF'si için toprak mikrobiyomunun önemi dikkate alındığında, bu tür LSF'leri izleyen yeni özellik tabanlı göstergelerin uygulanmasına güçlü bir ihtiyaç vardır.

Bu görüş belgesinde, son on yıllardaki metodolojik gelişmelerin “yaşayan toprak” hakkındaki görüşümüzde nasıl devrim yarattığını ve bu bilginin iyileştirilmiş toprak kalitesi göstergelerinin geliştirilmesi için nasıl kullanılabileceğini ele alıyoruz. Toprak kalitesini “biyolojik üretkenliği sürdürmek, çevre kalitesini korumak ve bitki ve hayvan sağlığını geliştirmek için ekosistem sınırları içinde işlev görme kapasitesi” olarak tanımlıyoruz (Doran ve Parkin 1994). Bu tanıma dayanarak, mikrobiyom ve toprak tarafından yönetilen toprakların “normal çalışma aralığı” (Pereira e Silva ve diğerleri 2012 Semenov ve diğerleri 2014) kavramının ele alındığı bir çerçeve geliştirmek için adımlar sunacağız. koşullar.


Toprak mikrobiyolojisi referansı - Biyoloji

Otizm ve Diğer Nörolojik Bozukluklar: Yeni Fenotiplerin Keşfi

İnsan Patojenik Mantarları: Yeni Moleküler Mekanizmaların ve Türler Arası Etkileşimlerin Belirlenmesi

Filamentli Mantar Tanımlamanızı Geliştirin

Biolog, MitoPlates'i piyasaya sürmekten mutluluk duyar!

Referans

2 yılı aşkın bir süredir Mikrobiyoloji Laboratuvarı kursumuzda Biolog Gen III Microstation'ı kullanıyoruz. Öğrenciler arasında en popüler laboratuvarlardan biridir. Geleneksel medya testlerini birkaç hafta kullandıktan sonra bilinmeyenleri belirlemek için kullanırız. Öğrenciler, testin ürettiği hızlı geri dönüş ve büyük miktarda veri karşısında hayrete düşerler.

Mikrobiyoloji temelli araştırma kurslarımızda öğrenciler, diğer bakteri tanımlama yöntemlerini desteklemek için Biolog'u kullanırlar. Bu, bilimsel sonuçlara dayalı sonuçları güçlendirmek için çok sayıda kanıt kullanmanın yararını pekiştirir. Artı Biolog eğlenceli ve kullanımı kolaydır!

Ecoplates'i bu yaz kullanmaya başladım ve sonuçlardan oldukça memnunum. Daha fazla bilgi elde etmek için hala tam veri analizini çalıştırmam gerekiyor, ancak farklı sitelerde renk desenleri açısından gördüklerim çok umut verici görünüyor. Tam veri analizinin sonuçlarına dayanarak, burada öğrettiğimiz bir kursa uygulamak için protokolümüzü geliştireceğiz.

Biolog Omnilog® Mikrobakteri tanımlamasını birkaç aydır kullanıyoruz. Şaşırtıcı bir şekilde, aynı anda 50'ye kadar bakteri örneğini analiz ederek yüklememizi önemli ölçüde azalttı. Plakaları belirlenen periyotta otomatik olarak analiz edebilir ve ham verileri kaydedebilir. Cihaz ayrıca en iyi inkübasyon sıcaklığı için optimum parametrede tutar. Ayrıca, yazılım kullanıcı dostudur ve deneyi gerçekleştirmek kolaydır. Biolog Omnilog®'u çok seviyoruz!!

Biolog Gen III OmniLog® ve MicroStation™'ı 2 yılı aşkın bir süredir Mikrobiyoloji Laboratuvarı kursumuzda kullanıyoruz. Geleneksel medya testlerini birkaç hafta kullandıktan sonra düzenli çevresel çalışmalarımızın ve su testimizin bilinmeyenlerini belirlemek için kullanıyoruz. Testin ürettiği hızlı dönüş ve büyük miktarda veri karşısında çok şaşırdık. Bu çok hızlı ve doğru bir tanımlama sistemidir. FDA'nın 21 CFR Bölüm 11'i ile uyumlu en iyi araçlardan biri. OmniLog® ID Sistemi, inkübe ederek, sonuçları okuyarak ve yorumlayarak mikrobiyal tanımlama sürecini tamamen otomatik hale getirir.

Microstation™ Biolog Gen III ve Omnilog®'u mikrobiyolojik analizlerimizde 2 yılı aşkın bir süredir Ulusal Balıkçılık Sağlık Ajansı'nın (Hidrobiyolojik kaynaklar ve ürünlerde Peru sağlık otoritesi) Mikrobiyoloji ve Moleküler Biyoloji Laboratuvarında kullanıyoruz. NTP-ISO / IEC 17025: 2017 ile. Bunu, çok uzun okuma süreleriyle geleneksel biyokimyayı içeren mikroorganizmaları tespit etmenin yanı sıra Salmonella cinsinin bakteri suşlarını tanımlamak ve doğrulamak için kullanıyoruz. Araştırmacılar, analitik testlerin ürettiği hızlı yanıt ve büyük miktarda veri karşısında şaşırıyorlar.

Mikrobiyoloji laboratuvarımızda Microstation Biolog Gen III'ü 5 yılı aşkın süredir proje ve araştırma geliştirme amaçlı kullandığımızı belirtmek isteriz. Mikrobiyoloji ve biyoteknoloji alanında bölümün en önemli laboratuvarlarından biridir. Biolog ekipmanı, petrol gazı endüstrisinde önemi olan aerobik ve anaerobik bakteri, maya ve mantarların tanımlanması için kullanılır, süreçlerimizi optimize etmemize, yüksek kaliteli sonuçlarla çalışılan mikroorganizmalar hakkında daha fazla bilgi edinmemize olanak tanır.

Misyonumuza destek olarak fitopatojen bakterilerin belirlenmesine destek olmak üzere fitopatoloji laboratuvarımızda GEN III Microstation'ı analitik yöntemlerin geliştirilmesi ve uygulanması için altı yılı aşkın bir süredir kullandığımızı belirtmek isteriz. Biolog ekipmanı, tarımsal ürünlerin hastalıklarının oluşumunda önemi olan aerobik ve anaerobik bakterilerin tanımlanması için kullanılmaktadır, yeni gereksinimlere daha etkin ve verimli bir şekilde cevap vermemizi ve yüksek kaliteli sonuçlarla çalışılan mikroorganizmalar hakkında daha fazla bilgi edinmemizi sağlamaktadır.

1989'da piyasaya sürülmesinden bu yana Gram pozitif ve negatif bakterileri tanımlamak için Biolog Sistemini kullanıyoruz. GENIII Veritabanında çok ilerleme kaydedildi, üzerine çok şey eklendi. Şimdi Agronômica Laboratuvarı'nda tam ve otomatik sistemi kullanmaya karar verdik. Biolog çözümünün her tür organizmayı tanımlamak için daha yüksek kapasite sunduğuna inanıyoruz. Yeni ilgi türlerini dahil etme olasılığı şaşırtıcı. Bitki sağlığı teşhisinde, biyolojik haşere kontrol ajanlarının karakterizasyonunda, toprak mikrobiyolojisinde ve çok daha fazlasında kullanımını kolaylaştırarak ve geliştirerek tanımlama hizmetlerinin kapsamını genişletir. Biolog: Hız, doğruluk ve kalite. Agronômica'daki gibi bir laboratuvarın istediği her şey.

Biolog Gen III Microstation'ı 2014'ten beri Çevre Sağlığı ve Mikrobiyoloji Araştırma Laboratuvarımda kullanıyorum. Çok değerli bir araç, kullanımı kolay ve lisans ve lisansüstü öğrencilerim arasında çok popüler. Araştırmamın bir parçası olan çevresel değerlendirmelerde bize yardımcı olması için kullanıyoruz. Öğrenciler, laboratuvarda geliştirilen araştırma eğitimi, tez veya tezler ve hatta akran incelemesi yayınları için test tarafından toplanan ne kadar hızlı, kolay ve yararlı veri miktarına hayran kalırlar.

2014 yılından bu yana mikrobiyal tanımlama ve fenotipleme deneyleri için Biolog'u kullanıyoruz. Geleneksel tanımlama yöntemlerinin kısıtlamaları nedeniyle müşterilerin metabolizma ve bakteri tür adını belirleyememe sorunlarını çözen mikrobiyal tanımlama hizmetleri sağladık. Yabani tip bakterilerin ve evrimleşmiş suşların fenotipik analizini, diğer birimlerden öğretmenler için maya fenotipik analiz deneylerini ve Nature: Functional tek kromozomlu bir maya oluşturma https://pubmed.ncbi.nlm.nih'de yayınlanan araştırma makalelerini gerçekleştirdik. gov/30069045/

Biolog'un bu araştırma enstitüsünde uygulaması, çeşitli mikroorganizma türlerinin Mikrobiyal tanımlanması ve yüksek verimli suşun yüksek verimli nedenini ve özelliklerini doğrulamak için tip ve yüksek verimli suş, özellikle karbon ve azot kaynakları arasında fenotip karşılaştırması olmuştur. . Halomonas TD01'in yüzey profili oluşturma ve tolerans testi, kimyasalların sürdürülebilir üretiminde potansiyel uygulamasını önermektedir, Journal of Biotechnology 316 (2020)

Suş genomu ölçeğinde metabolik ağ modelini kalibre etmek için fenotipik analizin kullanımı, yayınlandı: Hücresel metabolizmayı kapsamlı bir şekilde araştırmak için bir konsensüs S. cerevisiae metabolik modeli Yeast8 ve ekosistemi

Bu birim, çeşitli gıda kaynaklı patojenik bakteri ve mantarların izolatlarına karşı mikrobiyal suşları belirlemek, farklı kaynaklardan gelen önemli gıda kaynaklı patojenler için yüksek verimli fenotipleme çalışmaları yürütmek üzere 2014'ten beri bilimsel araştırmalar için Biolog cihazlarını ve mikroplakalarını kullanmaktadır. Farklı büyüme durumları ve farklı ortamlarda farklı substratlar üzerindeki bakterilerin fenotipik farklılıklarını elde etmek, suşların metabolik özelliklerini anlamak ve transkriptomik veya metabolomik ile kombinasyon halinde bakteriyel metabolizma farklılıklarının mekanizmasını keşfetmek için laboratuvarın ilgilendiği mikroorganizmalar. Genom değişiklikleri ile bakteri direnci ve substrat metabolizması gibi fenotipik farklılıklar arasındaki ilişkiyi araştırmak için genomik ve fenotipleme verilerini birleştirmek.


GIDA WEBLERİ NASIL FARKLILIK GÖSTERİR?

Her tarla, orman veya mera, belirli bir oranda bakteri, mantar ve diğer gruplara ve her organizma grubu içinde belirli bir karmaşıklık düzeyine sahip benzersiz bir toprak besin ağına sahiptir. Bu farklılıklar toprak, bitki örtüsü ve iklim faktörlerinin yanı sıra arazi yönetimi uygulamalarının sonucudur.

Tipik Gıda Ağı Yapıları

Bir besin ağının "yapısı", toprak sistemi içindeki her gruptaki organizmaların bileşimi ve göreli sayısıdır. Her ekosistem tipinin kendine özgü bir besin ağı yapısı vardır. Besin ağı yapılarının bazı özellikleri şunları içerir:

  • Mantarların bakterilere oranı, sistem tipinin karakteristiğidir. Otlaklar ve tarım toprakları genellikle bakteri ağırlıklı besin ağlarına sahiptir - yani çoğu biyokütle bakteri biçimindedir. Yüksek verimli tarım toprakları, 1:1'e yakın veya biraz daha az mantar/bakteriyel biyokütle oranlarına sahip olma eğilimindedir. Ormanlar mantar ağırlıklı besin ağlarına sahip olma eğilimindedir. Mantarın bakteriyel biyokütleye oranı, yaprak döken bir ormanda 5:1 ila 10:1 ve iğne yapraklı bir ormanda 100:1 ila 1000:1 arasında olabilir.
  • Organizmalar besin kaynaklarını yansıtır. Örneğin, protozoa, bakterilerin bol olduğu yerlerde bol miktarda bulunur. Bakterilerin mantarlara baskın olduğu yerlerde, bakteri yiyen nematodların sayısı mantarları yiyen nematodlardan daha fazladır.
  • Yönetim uygulamaları besin ağlarını değiştirir. Örneğin, azaltılmış toprak işlemeli tarım sistemlerinde mantarların bakterilere oranı zamanla artar ve solucanlar ve eklembacaklılar daha bol hale gelir.

Gıda Ağı Nasıl Ölçülür?

Bir besin ağını karakterize etmek için kullanılan ölçüm teknikleri şunları içerir:

sayma . Bakteri, protozoa, eklembacaklılar vb. organizma grupları veya bakteri besleme, mantar besleme ve yırtıcı nematodlar gibi alt gruplar sayılır ve hesaplamalar yoluyla biyokütleye dönüştürülebilir.

  • Doğrudan sayımlar - tek tek organizmaları çıplak gözle veya mikroskopla saymak. Tüm organizmalar veya yalnızca bir floresan lekesi alan aktif olanlar sayılabilir.
  • Plaka sayıları - bir toprak örneğinden büyüyen bakteri veya mantar kolonilerinin sayısını saymak.

Aktivite seviyelerini ölçmek. Aktivite, toprakta üretilen CO2 gibi yan ürünlerin miktarının veya topluluğun büyük bir kısmı veya belirli organizma grupları tarafından kullanılan bitki artığı veya metan gibi maddelerin kaybolmasının ölçülmesiyle belirlenir.

Bu ölçümler, topluluğun yapabileceği toplam "iş"i yansıtır. Toplam biyolojik aktivite, belirli bir zamanda sadece bir kısmı aktif olmasına rağmen, tüm organizmaların aktivitelerinin toplamıdır.

  • Solunum - CO2 üretiminin ölçülmesi. Bu yöntem, hangi organizmaların (bitkiler, patojenler veya diğer toprak organizmaları) CO2 ürettiğini ayırt etmez.
  • Nitrifikasyon oranları - amonyumun nitrata dönüştürülmesinde yer alan türlerin aktivitesinin ölçülmesi.
  • Bozunma oranları - organik kalıntıların veya standartlaştırılmış pamuklu şeritlerin kaybolma hızının ölçülmesi.

Hücresel bileşenlerin ölçülmesi. Tüm toprak organizmalarının toplam biyokütlesi veya topluluğun belirli özellikleri, aşağıdaki gibi toprak organizmalarının bileşenleri ölçülerek çıkarılabilir.

  • Biyokütle karbon, azot veya fosfor - daha sonra organizmaların toplam biyokütlesini tahmin etmek için kullanılabilecek canlı hücrelerdeki besin miktarını ölçer. Kloroform fümigasyonu, tüm toprak organizmalarındaki karbon veya azot miktarını tahmin etmek için kullanılan yaygın bir yöntemdir.
  • Enzimler - canlı hücrelerdeki veya toprağa bağlı enzimleri ölçer. Testler, potansiyel aktiviteyi tahmin etmek veya biyolojik topluluğu karakterize etmek için kullanılabilir.
  • Fosfolipidler ve diğer lipidler - topluluğun bir "parmak izini" sağlar ve mantarlar veya aktinomisetler gibi grupların biyokütlesini ölçer.
  • DNA ve RNA - topluluğun bir "parmak izi" sağlar ve belirli türlerin veya grupların varlığını tespit edebilir.

Karmaşıklık nedir?

Besin ağı karmaşıklığı, topraktaki türlerin sayısı ve farklı türlerin sayısı için bir faktördür. Örneğin, bakteri ile beslenen on tür nematod içeren bir toprak, bakteri ile beslenen, mantar ile beslenen ve yırtıcı nematodları içeren on nematod türü olan bir topraktan daha az karmaşıktır.

Karmaşıklık, kısmen, yaşlı bir Douglas köknar ormanındaki toprağı temsil eden aşağıdaki şekilde olduğu gibi bir besin ağı diyagramından belirlenebilir. Besin ağı diyagramındaki her kutu, toprak sisteminde benzer roller üstlenen fonksiyonel bir organizma grubunu temsil eder. Enerji transferleri, diyagramdaki oklarla temsil edilir ve bir organizma diğerini yediğinde meydana gelir. Karmaşık ekosistemler, basit ekosistemlerden daha fazla işlevsel gruba ve daha fazla enerji transferine sahiptir.

Enerji toprak sisteminden ayrılmadan önce enerjiyi çeviren fonksiyonel grupların sayısı her ekosistem için farklıdır (ve karakteristiktir). Douglas köknar sisteminde, enerji organizmadan organizmaya veya fonksiyonel gruplar arasında yirmiden fazla transfere uğrayabilir. Buna karşılık, bir mağara veya düşük kalıntılı ekili bir sistemin, bir toprak besin ağı diyagramının sağ tarafında çok çeşitli yüksek yırtıcıları içermesi muhtemel değildir. Enerji ve besinler, daha az organizma türü arasında dolaştırılacaktır.

Arazi yönetimi uygulamaları, topraktaki fonksiyonel grupların sayısını veya karmaşıklığını değiştirebilir. Tarla gibi yoğun olarak yönetilen sistemler, çeşitli sayıda işlevsel gruba sahiptir. Mahsul seçimleri, toprak işleme uygulamaları, kalıntı yönetimi, pestisit kullanımı ve sulama, toprak organizmalarının yaşam alanlarını değiştirir ve böylece besin ağının yapısını ve karmaşıklığını değiştirir.

Karmaşıklığın Faydaları

Bir toprak sisteminin biyolojik karmaşıklığı, besin döngüsü, toprak yapısının oluşumu, zararlı döngüleri ve ayrışma oranları gibi süreçleri etkileyebilir. Araştırmacılar, yönetilen ekosistemlerdeki bu toprak süreçleri için ne kadar ve ne tür gıda ağı karmaşıklığının optimal olduğunu henüz tanımlamadı.

Besin döngüsü . Organizmalar besin tükettiğinde, kendi biyokütlelerinden daha fazlasını yaratırlar ve atıkları serbest bırakırlar. Mahsul büyümesi için en önemli atık amonyumdur (NH4+). Amonyum ve diğer kolayca kullanılan besinler, bitki kökleri de dahil olmak üzere diğer organizmalar tarafından hızla alınır. Çok çeşitli organizmalar mevcut olduğunda, besinler bitkilerin kullanabileceği ve kullanamayacağı formlar arasında daha hızlı ve daha sık döngü yapabilir.

besin tutma. Bitkilere azotu mineralleştirmeye veya salmaya ek olarak, toprak besin ağı, bitkiler hızla büyümediğinde azotu hareketsizleştirebilir veya tutabilir. Toprak organik maddesi ve organizma biyokütlesi formundaki azot, inorganik nitrat (NO3 - ) ve amonyum (NH4+) ile karşılaştırıldığında daha az hareketlidir ve köklenme bölgesinden kaybolma olasılığı daha düşüktür.

Geliştirilmiş yapı, sızma ve su tutma kapasitesi . Birçok toprak organizması, toprak agregatlarının oluşumunda ve stabilitesinde rol oynar. Bakteriyel aktivite, organik madde ve kil parçacıklarının kimyasal özellikleri, tek tek toprak parçacıklarından mikro agregalar oluşturmaktan sorumludur. Solucanlar ve eklembacaklılar, küçük mineral parçacıkları ve organik madde kümeleri tüketir ve bağırsaktan bileşiklerle kaplı daha büyük dışkı topakları oluşturur. Bu dışkı topakları toprak yapısının bir parçası haline gelir. Mantar hifleri ve kök tüyleri birbirine bağlanır ve daha büyük agregaları stabilize etmeye yardımcı olur. Solucanların ve eklembacaklıların yuvalarıyla birlikte iyileştirilmiş agrega stabilitesi, gözenekliliği, su sızmasını ve su tutma kapasitesini artırır.

Hastalık bastırma . Karmaşık bir toprak besin ağı, hastalığa neden olan organizmalarla rekabet edebilecek çok sayıda organizma içerir. Bu rakipler, toprak patojenlerinin bitki yüzeyleri üzerinde yerleşmesini önleyebilir, patojenlerin besin almasını, patojenlerle beslenmesini veya patojenler için toksik olan veya patojenleri inhibe eden metabolitler oluşturmasını engelleyebilir.

kirleticilerin bozulması. Toprağın önemli bir rolü suyu arıtmaktır. Karmaşık bir besin ağı, çok çeşitli çevresel koşullar altında çok çeşitli kirleticileri tüketen (bozunan) organizmaları içerir.

biyoçeşitlilik . Daha fazla gıda ağı karmaşıklığı, daha fazla biyolojik çeşitlilik anlamına gelir. Biyoçeşitlilik, toplam tür sayısı ile bu türlerin göreceli bolluğu ve fonksiyonel organizma gruplarının sayısı ile ölçülür.

Yönetim ve Toprak Sağlığı

Sağlıklı bir toprak, bitki büyümesini etkili bir şekilde destekler, hava ve su kalitesini korur ve insan ve hayvan sağlığını sağlar. Toprağın fiziksel yapısı, kimyasal yapısı ve biyolojik bileşenleri birlikte toprağın bu hizmetleri ne kadar iyi yerine getirdiğini belirler.

Her sağlıklı sistemde veya su havzasında, toprak besin ağı, aşağıdakiler de dahil olmak üzere başlıca toprak işlevleri için kritik öneme sahiptir:

  • biyolojik aktiviteyi, çeşitliliği ve üretkenliği sürdürmek
  • su ve çözünmüş besinlerin akışını düzenleyen
  • besinleri ve diğer elementleri depolamak ve döngüye almak ve
  • potansiyel kirleticiler olan organik ve inorganik malzemeleri filtreleme, tamponlama, parçalama, hareketsizleştirme ve detoksifiye etme.

Organizmalar arasındaki etkileşimler bu işlevlerin çoğunu geliştirir.

Başarılı arazi yönetimi, toprak, su, hava, bitkiler, hayvanlar ve insanlar dahil tüm kaynakları koruyan yaklaşımları gerektirir. Birçok yönetim stratejisi, toprak habitatlarını ve besin ağını değiştirir ve toprak kalitesini veya işlevlerini yerine getirme kapasitesini değiştirir. Toprak topluluğunun karmaşıklığını ve sağlığını değiştiren bazı uygulama örnekleri şunları içerir:

  • 2 yıllık ürün rotasyonu olan bir tarla ile karşılaştırıldığında, rotasyonda 4 ürün yetiştirilen bir tarlada daha fazla besin kaynağı (yani kökler ve yüzey kalıntıları) olabilir ve bu nedenle daha fazla bakteri, mantar türü olması muhtemeldir. , ve diğer organizmalar.
  • Kenarları az sayıda bitki örtüsü olan, temiz bir şekilde ekilmiş bir tarla, çimenli su yolları, teraslar veya çit sıraları ile bölünmüş bir tarlaya göre eklembacaklılar için daha az habitata sahip olabilir.
  • Pestisitlerin toprak organizmaları üzerindeki etkisi değişse de, yüksek düzeyde pestisit kullanımı genellikle gıda ağı karmaşıklığını azaltacaktır. Uç bir örnek, birkaç bakteri türü dışında çoğu toprak organizmasını ortadan kaldırdığı gözlemlenen metil bromürün tekrar tekrar kullanılmasıdır.

Besin Ağı ve Karbon Tutulması

Toprak organik maddesi olarak tutulan karbon miktarını artırmak ve atmosfere salınan bir sera gazı olan CO2 miktarını azaltmak için arazi yönetimi uygulamaları seçilebilir.

Toprak besin ağı organik materyali ayrıştırırken, karbonu atmosfere CO2 olarak bırakır veya onu çeşitli toprak organik maddesi biçimlerine dönüştürür. Organik maddenin kararsız veya aktif fraksiyonları birkaç yıl toprakta kalır. Kararlı formlar toprakta on yıllar veya yüzlerce yıl kalır. Fiziksel olarak stabilize edilmiş organik madde, toprak organizmalarının oluşmasına yardımcı olduğu toprak kümeleri içinde korunur. Nemlendirilmiş organik madde stabildir çünkü bakteri ve mantarlar, toprak organizmalarının bozunması için çok karmaşık ve büyük moleküller oluşturmaya yardımcı olmuştur.

İleriye dönük

Besin ağının işlevleri, bitki büyümesi ve çevresel kalite için gereklidir. İyi kaynak yönetimi, gıda ağı geliştirme stratejilerini çiftliklerin, çiftliklerin, ormanların veya arka bahçelerin düzenli faaliyetlerine entegre edecektir. Gerekli araştırma, tüm sistemler içindeki gıda ağı fonksiyonlarını inceleyecek ve teknoloji gelişimini destekleyecektir. Toprak besin ağlarının işlevlerini değerlendirmek ve sürdürmek için teknoloji, toprak üretkenliği ve idaresi için çabalayan arazi yöneticilerine ve araştırmacılara yardımcı olmak için geliştirilecektir. Önümüzdeki yıllarda, aşağıdaki gibi toprak biyolojisi sorularını yanıtlamada ilerleme bekleyebiliriz.

Sağlıklı besin ağı nedir? Belirli bir biyolojik topluluğun amaçlanan arazi kullanımı için istenip istenmediğini belirlemek için hangi ölçümler veya gözlemler kullanılabilir? Son derece üretken ve sürdürülebilir mahsul, mera veya orman arazileri için hangi düzeyde karmaşıklık en uygunudur?

Türleri mi yoksa organizma türlerini mi saymak daha yararlı? Soil Biology Primer, gıda ağı organizmalarını altı gruba ayırır. Achieving an optimal balance of these groups is one approach to managing the food web. Alternatively, identifying the species and complexity present within a group may provide other useful information about the health and productive potential of a soil.

How should the biology of the soil be managed? In the future, land managers may be able to more precisely predict the effect of management decisions such as the timing of tillage, the application of a certain kind of compost, or the use of a particular pesticide. They may choose practices with the intent of making specific changes to the composition of the soil food web.

What are the costs and benefits of managing for soil biological functions? The costs to achieve a highly diverse, or complex, soil community need to be identified. These can be compared to the benefits of biological services provided, such as nutrient cycling, disease suppression, and soil structure enhancement.


THE LIVING SOIL: BACTERIA

Bacteria are tiny, one-celled organisms &ndash generally 4/100,000 of an inch wide (1 µm) and somewhat longer in length. What bacteria lack in size, they make up in numbers. A teaspoon of productive soil generally contains between 100 million and 1 billion bacteria. That is as much mass as two cows per acre.

A ton of microscopic bacteria may be active in each acre of soil.

Credit: Michael T. Holmes, Oregon State University, Corvallis. Please contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Bacteria dot the surface of strands of fungal hyphae.

Credit: R. Campbell. In R. Campbell. 1985. Plant Microbiology. Edward Arnold London. P. 149. Reprinted with the permission of Cambridge University Press. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Bacteria fall into four functional groups. Most are decomposers that consume simple carbon compounds, such as root exudates and fresh plant litter. By this process, bacteria convert energy in soil organic matter into forms useful to the rest of the organisms in the soil food web. A number of decomposers can break down pesticides and pollutants in soil. Decomposers are especially important in immobilizing, or retaining, nutrients in their cells, thus preventing the loss of nutrients, such as nitrogen, from the rooting zone.

A second group of bacteria are the mutualists that form partnerships with plants. The most well-known of these are the nitrogen-fixing bacteria. The third group of bacteria is the pathogens. Bacterial pathogens include Xymomonas ve Erwinia species, and species of agrobakteri that cause gall formation in plants. A fourth group, called lithotrophs veya kemoototroflar, obtains its energy from compounds of nitrogen, sulfur, iron or hydrogen instead of from carbon compounds. Some of these species are important to nitrogen cycling and degradation of pollutants.

What Do Bacteria Do?

Bacteria from all four groups perform important services related to water dynamics, nutrient cycling, and disease suppression. Some bacteria affect water movement by producing substances that help bind soil particles into small aggregates (those with diameters of 1/10,000-1/100 of an inch or 2-200µm). Stable aggregates improve water infiltration and the soil&rsquos water-holding ability. In a diverse bacterial community, many organisms will compete with disease-causing organisms in roots and on aboveground surfaces of plants.

A Few Important Bacteria

Nitrogen-fixing bacteria form symbiotic associations with the roots of legumes like clover and lupine, and trees such as alder and locust. Visible nodules are created where bacteria infect a growing root hair. The plant supplies simple carbon compounds to the bacteria, and the bacteria convert nitrogen (N2) from air into a form the plant host can use. When leaves or roots from the host plant decompose, soil nitrogen increases in the surrounding area.

Nitrifying bacteria change ammonium (NH4+) to nitrite (NO2-) then to nitrate (NO3-) &ndash a preferred form of nitrogen for grasses and most row crops. Nitrate is leached more easily from the soil, so some farmers use nitrification inhibitors to reduce the activity of one type of nitrifying bacteria. Nitrifying bacteria are suppressed in forest soils, so that most of the nitrogen remains as ammonium.

Denitrifying bacteria convert nitrate to nitrogen (N2) or nitrous oxide (N2O) gas. Denitrifiers are anaerobic, meaning they are active where oxygen is absent, such as in saturated soils or inside soil aggregates.

aktinomisetler are a large group of bacteria that grow as hyphae like fungi. They are responsible for the characteristically &ldquoearthy&rdquo smell of freshly turned, healthy soil. Actinomycetes decompose a wide array of substrates, but are especially important in degrading recalcitrant (hard-to-decompose) compounds, such as chitin and cellulose, and are active at high pH levels. Fungi are more important in degrading these compounds at low pH. A number of antibiotics are produced by actinomycetes such as Streptomyces.

Nodules formed where Rhizobium bacteria infected soybean roots.

Credit: Stephen Temple, New Mexico State University. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Actinomycetes, such as this Streptomyces, give soil its "earthy" smell.

Credit: No. 14 from Soil Microbiology and Biochemistry Slide Set. 1976. J.P. Martin, et al., eds. SSSA, Madison, WI. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Where Are Bacteria?

Various species of bacteria thrive on different food sources and in different microenvironments. In general, bacteria are more competitive when labile (easy-to-metabolize) substrates are present. This includes fresh, young plant residue and the compounds found near living roots. Bacteria are especially concentrated in the rhizosphere, the narrow region next to and in the root. There is evidence that plants produce certain types of root exudates to encourage the growth of protective bacteria.

Bacteria alter the soil environment to the extent that the soil environment will favor certain plant communities over others. Before plants can become established on fresh sediments, the bacterial community must establish first, starting with photosynthetic bacteria. These fix atmospheric nitrogen and carbon, produce organic matter, and immobilize enough nitrogen and other nutrients to initiate nitrogen cycling processes in the young soil. Then, early successional plant species can grow. As the plant community is established, different types of organic matter enter the soil and change the type of food available to bacteria. In turn, the altered bacterial community changes soil structure and the environment for plants. Some researchers think it may be possible to control the plant species in a place by managing the soil bacteria community.

Bug Biography: Bacteria That Promote Plant Growth

By Ann Kennedy, USDA Agricultural Research Service, Pullman, WA

Certain strains of the soil bacteria Pseudomonas fluorescens have anti-fungal activity that inhibits some plant pathogens. P. fluorescens and other Pseudomonas and Xanthomonas species can increase plant growth in several ways. They may produce a compound that inhibits the growth of pathogens or reduces invasion of the plant by a pathogen. They may also produce compounds (growth factors) that directly increase plant growth.

These plant growth-enhancing bacteria occur naturally in soils, but not always in high enough numbers to have a dramatic effect. In the future, farmers may be able to inoculate seeds with anti-fungal bacteria, such as P. fluorescens, to ensure that the bacteria reduce pathogens around the seed and root of the crop.


SOIL BIOLOGY AND THE LANDSCAPE

An incredible diversity of organisms make up the soil food web. They range in size from the tiniest one-celled bacteria, algae, fungi, and protozoa, to the more complex nematodes and micro-arthropods, to the visible earthworms, insects, small vertebrates, and plants.

As these organisms eat, grow, and move through the soil, they make it possible to have clean water, clean air, healthy plants, and moderated water flow.

There are many ways that the soil food web is an integral part of landscape processes. Soil organisms decompose organic compounds, including manure, plant residue, and pesticides, preventing them from entering water and becoming pollutants. They sequester nitrogen and other nutrients that might otherwise enter groundwater, and they fix nitrogen from the atmosphere, making it available to plants. Many organisms enhance soil aggregation and porosity, thus increasing infiltration and reducing runoff. Soil organisms prey on crop pests and are food for above-ground animals.

The soil environment. Organisms live in the microscale environments within and between soil particles. Differences over short distances in pH, moisture, pore size, and the types of food available create a broad range of habitats.

Credit: S. Rose and E.T. Elliott. Please contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

The Food Web: Organisms and Their Interaction

The soil food web is the community of organisms living all or part of their lives in the soil. A food web diagram shows a series of conversions (represented by arrows) of energy and nutrients as one organism eats another.

All food webs are fueled by the primary producers: the plants, lichens, moss, photosynthetic bacteria, and algae that use the sun's energy to fix carbon dioxide from the atmosphere. Most other soil organisms get energy and carbon by consuming the organic compounds found in plants, other organisms, and waste by-products. A few bacteria, called chemoautotrophs, get energy from nitrogen, sulfur, or iron compounds rather than carbon compounds or the sun.

As organisms decompose complex materials, or consume other organisms, nutrients are converted from one form to another, and are made available to plants and to other soil organisms. All plants - grass, trees, shrubs, agricultural crops - depend on the food web for their nutrition.

What Do Soil Organisms Do?

Growing and reproducing are the primary activities of all living organisms. As individual plants and soil organisms work to survive, they depend on interactions with each other. By-products from growing roots and plant residue feed soil organisms. In turn, soil organisms support plant health as they decompose organic matter, cycle nutrients, enhance soil structure, and control the populations of soil organisms including crop pests.

Organic Matter Fuels the Food Web

Organic matter is many different kinds of compounds - some more useful to organisms than others. In general, soil organic matter is made of roughly equal parts humus and active organic matter. Active organic matter is the portion available to soil organisms. Bacteria tend to use simpler organic compounds, such as root exudates or fresh plant residue. Fungi tend to use more complex compounds, such as fibrous plant residues, wood and soil humus.

Intensive tillage triggers spurts of activity among bacteria and other organisms that consume organic matter (convert it to CO2), depleting the active fraction first. Practices that build soil organic matter (reduced tillage and regular additions of organic material) will raise the proportion of active organic matter long before increases in total organic matter can be measured. As soil organic matter levels rise, soil organisms play a role in its conversion to humus - a relatively stable form of carbon sequestered in soils for decades or even centuries.

Soil organic matter is the storehouse for the energy and nutrients used by plants and other organisms. Bacteria, fungi, and other soil dwellers transform and release nutrients from organic matter. These microshredders, immature oribatid mites, skeletonize plant leaves. This starts the nutrient cycling of carbon, nitrogen, and other elements.

Credit: Roy A. Norton, College of Environmental Science & Forestry, State University of New York. Please contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Food Sources for Soil Organisms

"Soil organic matter" includes all the organic substances in or on the soil. Here are terms used to describe different types of organic matter.

  • Living organisms: Bacteria, fungi, nematodes, protozoa, earthworms, arthropods, and living roots.
  • Dead plant material organic material detritus surface residue: All these terms refer to plant, animal, or other organic substances that have recently been added to the soil and have only begun to show signs of decay. Detritivores are organisms that feed on such material.
  • Active fraction organic matter: Organic compounds that can be used as food by microorganisms. The active fraction changes more quickly than total organic matter in response to management changes.
  • Labile organic matter: Organic matter that is easily decomposed.
  • Root exudates: Soluble sugars, amino acids and other compounds secreted by roots.
  • Particulate organic matter (POM) or Light fraction (LF) organic matter: POM and LF have precise size and weight definitions. They are thought to represent the active fraction of organic matter which is more difficult to define. Because POM or LF is larger and lighter than other types of soil organic matter, they can be separated from soil by size (using a sieve) or by weight (using a centrifuge).
  • Lignin: A hard-to-degrade compound that is part of the fibers of older plants. Fungi can use the carbon ring structures in lignin as food.
  • Recalcitrant organic matter: Organic matter such as humus or lignin-containing material that few soil organisms can decompose.
  • Humus or humified organic matter: Complex organic compounds that remain after many organisms have used and transformed the original material. Humus is not readily decomposed because it is either physically protected inside of aggregates or chemically too complex to be used by most organisms. Humus is important in binding tiny soil aggregates, and improves water and nutrient holding capacity.

Where Do Soil Organisms Live?

The organisms of the food web are not uniformly distributed through the soil. Each species and group exists where they can find appropriate space, nutrients, and moisture. They occur wherever organic matter occurs - mostly in the top few inches of soil (see graph below), although microbes have been found as deep as 10 miles (16 km) in oil wells. Soil organisms are concentrated:

Around roots. The rhizosphere is the narrow region of soil directly around roots. It is teeming with bacteria that feed on sloughed-off plant cells and the proteins and sugars released by roots. The protozoa and nematodes that graze on bacteria are also concentrated near roots. Thus, much of the nutrient cycling and disease suppression needed by plants occurs immediately adjacent to roots.

In litter. Fungi are common decomposers of plant litter because litter has large amounts of complex, hard-to-decompose carbon. Fungal hyphae (fine filaments) can "pipe" nitrogen from the underlying soil to the litter layer. Bacteria cannot transport nitrogen over distances, giving fungi an advantage in litter decomposition, particularly when litter is not mixed into the soil profile. However, bacteria are abundant in the green litter of younger plants which is higher in nitrogen and simpler carbon compounds than the litter of older plants. Bacteria and fungi are able to access a larger surface area of plant residue after shredder organisms such as earthworms, leaf-eating insects, millipedes, and other arthropods break up the litter into smaller chunks.

On humus. Fungi are common here. Much organic matter in the soil has already been decomposed many times by bacteria and fungi, and/or passed through the guts of earthworms or arthropods. The resulting humic compounds are complex and have little available nitrogen. Only fungi make some of the enzymes needed to degrade the complex compounds in humus.

On the surface of soil aggregates. Biological activity, in particular that of aerobic bacteria and fungi, is greater near the surfaces of soil aggregates than within aggregates. Within large aggregates, processes that do not require oxygen, such as denitrification, can occur. Many aggregates are actually the fecal pellets of earthworms and other invertebrates.

In spaces between soil aggregates. Those arthropods and nematodes that cannot burrow through soil move in the pores between soil aggregates. Organisms that are sensitive to desiccation, such as protozoa and many nematodes, live in water-filled pores.

Bacteria are abundant around this root tip (the rhizosphere) where they decompose the plentiful simple organic substances.

Credit: No. 53 from Soil Microbiology and Biochemistry Slide Set. 1976 J.P. Martin, et al., eds. SSSA, Madison WI. Please contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

When Are They Active?

The activity of soil organisms follows seasonal patterns, as well as daily patterns. In temperate systems, the greatest activity occurs in late spring when temperature and moisture conditions are optimal for growth. However, certain species are most active in the winter, others during dry periods, and still others in flooded conditions.

Not all organisms are active at a particular time. Even during periods of high activity, only a fraction of the organisms are busily eating, respiring, and altering their environment. The remaining portion are barely active or even dormant.

Many different organisms are active at different times, and interact with one another, with plants, and with the soil. The combined result is a number of beneficial functions including nutrient cycling, moderated water flow, and pest control.

The Importance of the Soil Food Web

The living component of soil, the food web, is complex and has different compositions in different ecosystems. Management of croplands, rangelands, forestlands, and gardens benefits from and affects the food web. The next unit of the Soil Biology Primer, The Food Web & Soil Health, introduces the relationship of soil biology to agricultural productivity, biodiversity, carbon sequestration and to air and water quality. The remaining six units of the Soil Biology Primer describe the major groups of soil organisms: bacteria, fungi, protozoa, nematodes, arthropods, and earthworms.


THE LIVING SOIL: PROTOZOA

Protozoa are single-celled animals that feed primarily on bacteria, but also eat other protozoa, soluble organic matter, and sometimes fungi. They are several times larger than bacteria - ranging from 1/5000 to 1/50 of an inch (5 to 500 µm) in diameter. As they eat bacteria, protozoa release excess nitrogen that can then be used by plants and other members of the food web.

Protozoa are classified into three groups based on their shape: Ciliates are the largest and move by means of hair-like cilia. They eat the other two types of protozoa, as well as bacteria. Amoebae also can be quite large and move by means of a temporary foot or "pseudopod." Amoebae are further divided into testate amoebae (which make a shell-like covering) and naked amoebae (without a covering). Flagellates are the smallest of the protozoa and use a few whip-like flagella to move.

Protozoa play an important role in nutrient cycling by feeding intensively on bacteria. Notice the size of the speck-like bacteria next to the oval protozoa and large, angular sand particle.

Credit: Elaine R. Ingham. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Bacteria ingested by an amoeba.

Credit: No. 35 from Soil Microbiology and Biochemistry Slide Set. 1976. J.P. Martin, et al., eds. SSSA, Madison, WI. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Flagellates have one or two flagella which they use to propel or pull their way through soil. A flagellum can be seen extending from the protozoan on the left. The tiny specks are bacteria.

Credit: Elaine R. Ingham. P lease contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

Ciliates are the largest of the protozoa and the least numerous. They consume up to ten thousand bacteria per day, and release plant available nitrogen. Ciliates use the fine cilia along their bodies like oars to move rapidly through soil.

Credit: Elaine R. Ingham. Please contact the Soil and Water Conservation Society at [email protected] for assistance with copyrighted (credited) images.

What Do Protozoa Do?

Protozoa play an important role in mineralizing nutrients, making them available for use by plants and other soil organisms. Protozoa (and nematodes) have a lower concentration of nitrogen in their cells than the bacteria they eat. (The ratio of carbon to nitrogen for protozoa is 10:1 or much more and 3:1 to 10:1 for bacteria.) Bacteria eaten by protozoa contain too much nitrogen for the amount of carbon protozoa need. They release the excess nitrogen in the form of ammonium (NH4+). This usually occurs near the root system of a plant. Bacteria and other organisms rapidly take up most of the ammonium, but some is used by the plant. (See figure below for explanation of mineralization and immobilzation.)

Another role that protozoa play is in regulating bacteria populations. When they graze on bacteria, protozoa stimulate growth of the bacterial population (and, in turn, decomposition rates and soil aggregation.) Exactly why this happens is under some debate, but grazing can be thought of like pruning a tree - a small amount enhances growth, too much reduces growth or will modify the mix of species in the bacterial community.

Protozoa are also an important food source for other soil organisms and help to suppress disease by competing with or feeding on pathogens.

Where Are Protozoa?

Protozoa need bacteria to eat and water in which to move, so moisture plays a big role in determining which types of protozoa will be present and active. Like bacteria, protozoa are particularly active in the rhizosphere next to roots.

Typical numbers of protozoa in soil vary widely - from a thousand per teaspoon in low fertility soils to a million per teaspoon in some highly fertile soils. Fungal-dominated soils (e.g. forests) tend to have more testate amoebae and ciliates than other types. In bacterial-dominated soils, flagellates and naked amoebae predominate. In general, high clay-content soils contain a higher number of smaller protozoa (flagellates and naked amoebae), while coarser textured soils contain more large flagellates, amoebae of both varieties, and ciliates.

Nematodes and Protozoa

Protozoa and bacterial-feeding nematodes compete for their common food resource: bacteria. Some soils have high numbers of either nematodes or protozoa, but not both. The significance of this difference to plants is not known. Both groups consume bacteria and release NH4+.

Bug Biography: Soil Dwelling Vampires

Most protozoa eat bacteria, but one group of amoebae, the vampyrellids, eat fungi. The perfectly round holes drilled through the fungal cell wall, much like the purported puncture marks on the neck of a vampire's victim, are evidence of the presence of vampyrellid amoebae. The amoebae attach to the surface of fungal hyphae and generate enzymes that eat through the fungal cell wall. The amoeba then sucks dry or engulfs the cytoplasm inside the fungal cell before moving on to its next victim.

Vampyrellids attack many fungi including root pathogens, such as Gaeumannomyces graminis, shown in the photo. This fungus attacks wheat roots and causes take-all disease.


Soil is made up of a multitude of physical, chemical, and biological entities, with many interactions occurring among them. Soil is a variable mixture of broken and weathered minerals and decaying organic matter. Together with the proper amounts of air and water, it supplies, in part, sustenance for plants as well as mechanical support.

The diversity and abundance of soil life exceeds that of any other ecosystem. Plant establishment, competitiveness, and growth is governed largely by the ecology below-ground, so understanding this system is an essential component of plant sciences and terrestrial ecology.

    is a major limiting factor on land. Terrestrial organisms are constantly confronted with the problem of dehydration. Transpiration or evaporation of water from plant surfaces is an energy dissipating process unique to the terrestrial environment.
  • Temperature variations and extremes are more pronounced in the air than in the water medium.
  • On the other hand, the rapid circulation of air throughout the globe results in a ready mixing and remarkably constant content of oxygen and carbon dioxide.
  • Although soil offers solid support, air does not. Strong skeletons have been evolved in both land plants and animals and also special means of locomotion have been evolved in the latter.
  • Land, unlike the ocean, is not continuous there are important geographical barriers to free movement.
  • The nature of the substrate, although important in water is especially vital in terrestrial environment. Soil, not air, is the source of highly variable nutrients it is a highly developed ecological subsystem.

An incredible diversity of organisms make up the soil food web. They range in size from the tiniest one-celled bacteria, algae, fungi, and protozoa, to the more complex nematodes and micro-arthropods, to the visible earthworms, insects, small vertebrates, and plants. As these organisms eat, grow, and move through the soil, they make it possible to have clean water, clean air, healthy plants, and moderated water flow.

There are many ways that the soil food web is an integral part of landscape processes. Soil organisms decompose organic compounds, including manure, plant residues, and pesticides, preventing them from entering water and becoming pollutants. They sequester nitrogen and other nutrients that might otherwise enter groundwater, and they fix nitrogen from the atmosphere, making it available to plants. Many organisms enhance soil aggregation and porosity, thus increasing infiltration and reducing surface runoff. Soil organisms prey on crop pests and are food for above-ground animals.

Research interests span many aspects of soil ecology and microbiology, Fundamentally, researchers are interested in understanding the interplay among microorganisms, fauna, and plants, the biogeochemical processes they carry out, and the physical environment in which their activities take place, and applying this knowledge to address environmental problems.

Example research projects are to examine the biogeochemistry and microbial ecology of septic drain field soils used to treat domestic wastewater, the role of anecic earthworms in controlling the movement of water and nitrogen cycle in agricultural soils, and the assessment of soil quality in turf production. [2]

Of particular interest as of 2006 [update] is to understand the roles and functions of arbuscular mycorrhizal fungi in natural ecosystems. The effect of anthropic soil conditions on arbuscular mycorrhizal fungi, and the production of glomalin by arbuscular mycorrhizal fungi are both of particular interest due to their roles in sequestering atmospheric carbon dioxide.


Influence of salinity and water content on soil microorganisms

Salinization is one of the most serious land degradation problems facing world. Salinity results in poor plant growth and low soil microbial activity due to osmotic stress and toxic ions. Soil microorganisms play a pivotal role in soils through mineralization of organic matter into plant available nutrients. Therefore it is important to maintain high microbial activity in soils. Salinity tolerant soil microbes counteract osmotic stress by synthesizing osmolytes which allows them to maintain their cell turgor and metabolism. Osmotic potential is a function of the salt concentration in the soil solution and therefore affected by both salinity (measured as electrical conductivity at a certain water content) and soil water content. Soil salinity and water content vary in time and space. Understanding the effect of changes in salinity and water content on soil microorganisms is important for crop production, sustainable land use and rehabilitation of saline soils. In this review, the effects of soil salinity and water content on microbes are discussed to guide future research into management of saline soils.


Soil as Carbon Storehouse: New Weapon in Climate Fight?

The degradation of soils from unsustainable agriculture and other development has released billions of tons of carbon into the atmosphere. But new research shows how effective land restoration could play a major role in sequestering CO2 and slowing climate change.

In the 19th century, as land-hungry pioneers steered their wagon trains westward across the United States, they encountered a vast landscape of towering grasses that nurtured deep, fertile soils.

Today, just 3 percent of North America’s tallgrass prairie remains. Its disappearance has had a dramatic impact on the landscape and ecology of the U.S., but a key consequence of that transformation has largely been overlooked: a massive loss of soil carbon into the atmosphere. The importance of soil carbon — how it is leached from the earth and how that process can be reversed — is the subject of intensifying scientific investigation, with important implications for the effort to slow the rapid rise of carbon dioxide in the atmosphere.

According to Rattan Lal, director of Ohio State University’s Carbon Management and Sequestration Center, the world’s cultivated soils have lost between 50 and 70 percent of their original carbon stock, much of which has oxidized upon exposure to air to become CO2. Now, armed with rapidly expanding knowledge about carbon sequestration in soils, researchers are studying how land restoration programs in places like the former North American prairie, the North China Plain, and even the parched interior of Australia might help put carbon back into the soil.

Soil in a long-term experiment appears red when depleted of carbon (left) and dark brown when carbon content is high (right). Rattan Lal

Absent carbon and critical microbes, soil becomes mere dirt, a process of deterioration that’s been rampant around the globe. Many scientists say that regenerative agricultural practices can turn back the carbon clock, reducing atmospheric CO2 while also boosting soil productivity and increasing resilience to floods and drought. Such regenerative techniques include planting fields year-round in crops or other cover, and agroforestry that combines crops, trees, and animal husbandry.

Recognition of the vital role played by soil carbon could mark an important if subtle shift in the discussion about global warming, which has been heavily focused on curbing emissions of fossil fuels. But a look at soil brings a sharper focus on potential carbon lavabolar. Reducing emissions is crucial, but soil carbon sequestration needs to be part of the picture as well, says Lal. The top priorities, he says, are restoring degraded and eroded lands, as well as avoiding deforestation and the farming of peatlands, which are a major reservoir of carbon and are easily decomposed upon drainage and cultivation.

He adds that bringing carbon back into soils has to be done not only to offset fossil fuels, but also to feed our growing global population. “We cannot feed people if soil is degraded,” he says.

“Supply-side approaches, centered on CO2 sources, amount to reshuffling the Titanic deck chairs if we overlook demand-side solutions: where that carbon can and should go,” says Thomas J. Goreau, a biogeochemist and expert on carbon and nitrogen cycles who now serves as president of the Global Coral Reef Alliance. Goreau says we need to seek opportunities to increase soil carbon in all ecosystems — from tropical forests to pasture to wetlands — by replanting degraded areas, increased mulching of biomass instead of burning, large-scale use of biochar, improved pasture management, effective erosion control, and restoration of mangroves, salt marshes, and sea grasses.

“CO2 cannot be reduced to safe levels in time to avoid serious long-term impacts unless the other side of atmospheric CO2 balance is included,” Goreau says.

Scientists say that more carbon resides in soil than in the atmosphere and all plant life combined there are 2,500 billion tons of carbon in soil, compared with 800 billion tons in the atmosphere and 560 billion tons in plant and animal life. And compared to many proposed geoengineering fixes, storing carbon in soil is simple: It’s a matter of returning carbon where it belongs.

Through photosynthesis, a plant draws carbon out of the air to form carbon compounds. What the plant doesn’t need for growth is exuded through the roots to feed soil organisms, whereby the carbon is humified, or rendered stable. Carbon is the main component of soil organic matter and helps give soil its water-retention capacity, its structure, and its fertility. According to Lal, some pools of carbon housed in soil aggregates are so stable that they can last thousands of years. This is in contrast to “active” soil carbon, which resides in topsoil and is in continual flux between microbial hosts and the atmosphere.

“If we treat soil carbon as a renewable resource, we can change the dynamics,” says Goreau. “When we have erosion, we lose soil, which carries with it organic carbon, into waterways. When soil is exposed, it oxidizes, essentially burning the soil carbon. We can take an alternate trajectory.”

As basic as soil carbon is, there’s much scientists are just learning about it, including how to make the most of its CO2 sequestration capacity. One promising strategy, says Goreau, is bolstering soil microbiology by adding beneficial microbes to stimulate the soil cycles where they have been interrupted by use of insecticides, herbicides, or fertilizers. As for agroforestry, programs with greater species diversity are better able to maximize the storage of carbon than monocultures. Many researchers are looking to biochar — produced when plant matter, manure, or other organic material is heated in a zero- or low-oxygen environment — for its ability to turn problem areas into productive sites while building soil carbon. Says Goreau, “Vast areas of deforested land that have been abandoned after soil degradation are excellent candidates for replanting and reforestation using biochar from the weeds now growing there.”

An important vehicle for moving carbon into soil is root, or mycorrhizal, fungi, which govern the give-and-take between plants and soil. According to Australian soil scientist Christine Jones, plants with mycorrhizal connections can transfer up to 15 percent more carbon to soil than their non-mycorrhizal counterparts. The most common mycorrhizal fungi are marked by threadlike filaments called hyphae that extend the reach of a plant, increasing access to nutrients and water. These hyphae are coated with a sticky substance called glomalin, discovered only in 1996, which is instrumental in soil structure and carbon storage. The U.S. Department of Agriculture advises land managers to protect glomalin by minimizing tillage and chemical inputs and using cover crops to keep living roots in the soil.

In research published in Doğa in January, scientists from the University of Texas at Austin, the Smithsonian Tropical Research Institute, and Boston University assessed the carbon and nitrogen cycles under different mycorrhizal regimens and found that plants linked with fruiting, or mushroom-type, fungi stored 70 percent more carbon per unit of nitrogen in soil. Lead author Colin Averill, a fourth-year graduate student at the University of Texas, explains that the fungi take up organic nitrogen on behalf of the plant, out-competing soil microorganisms that decompose organic matter and release carbon. He says this points to soil biology as a driver of carbon storage, particularly “the mechanisms by which carbon can stay in the ground rather than going into the atmosphere.”

One implication of this research, says Goreau, is that “the effect of most landscape alterations is to convert them from systems that store carbon efficiently … toward ones that are inefficient in the use of nitrogen, and as a result are losing carbon storage.” By landscape alterations, he means from forest to cropland, or from small farms to industrial agriculture operations that use the chemicals that inhibit the mycorrhizal and microbial interactions that store carbon.

Our understanding of soil microbiology and how soil life affects the carbon cycle is poised for tremendous growth, says Goreau. This, he says, is thanks to the burgeoning field of metagenomics, the study of genetic material from specimens taken directly from the environment rather than cultured in a lab. “For the first time,” says Goreau, “we can identify all major soil biogeochemical pathways from the genetic information in the microbes.”

Even at our current level of knowledge, many see great potential for storing carbon in soil. Lal of Ohio State says that restoring soils of degraded and desertified ecosystems has the potential to store in world soils an additional 1 billion to 3 billion tons of carbon annually, equivalent to roughly 3.5 billion to 11 billion tons of CO2 emissions. (Annual CO2 emissions from fossil fuel burning are roughly 32 billion tons.)

Many call Lal’s carbon soil storage figures low. This could reflect the fact that soil carbon is generally measured in the top 15 to 30 centimeters, whereas soil at depth may store carbon at much higher rates. For example, in land with deep-rooted grasses the soil can go down five meters or more. Research by Australian and British scientists published last year in the journal Bitki ve Toprak examined soils in five southwestern Australia sites at depths as great as nearly 40 meters. These findings add impetus to explore strategies such as working with deep-rooted perennial grasses to secure carbon at depth.

Those who champion soil carbon for climate mitigation frequently look to grasslands, which cover more than a quarter of the world’s land. According to the UN’s Food and Agriculture Organization, grasslands also hold 20 percent of the world’s soil carbon stock. Much of this land is degraded, as evidenced in the U.S. Great Plains and places like northern Mexico, Africa’s Sahel, and Mongolia.

Seth Itzkan — founder of Massachusetts-based Planet-TECH Associates, a consulting firm specializing in restoration ecology — advocates Holistic Planned Grazing (HPG), a model developed by Zimbabwean wildlife biologist Allan Savory. In this practice, livestock are managed as a tool for large-scale land restoration, mimicking the herding and grazing patterns of wild ruminants that coevolved with grassland ecosystems. Animals are moved so that no plants are overgrazed, and grazing stimulates biological activity in the soil. Their waste adds fertility, and as they move in a herd their trampling aerates soil, presses in seeds, and pushes down dead plant matter so it can be acted upon by soil microorganisms. All of this generates soil carbon, plant carbon, and water retention. Savory says HPG doesn’t require more land — in fact it generally supports greater animal density — so it can be applied wherever livestock are raised.

In Australia, which has been suffering extreme heat and wildfires, policy-makers are taking seriously programs that build and stabilize soil carbon. The action plan Regenerate Australia outlines a strategy to restore up to 300 million hectares (740 million acres). A core goal is attaining previous soil carbon levels by introducing more sustainable grazing, farming, and water-retention practices.

Says Rattan Lal: “Soils of the world must be part of any agenda to address climate change, as well as food and water security. I think there is now a general awareness of soil carbon, an awareness that soil isn’t just a medium for plant growth.”

Judith D. Schwartz is a freelance writer based in southern Vermont who has written on ecology and economics for Scientific American, Conservation, Time, ve Pacific Standard. Her most recent book is "Cows Save the Planet and Other Improbable Ways of Restoring Soil to Heal the Earth." More about Judith D. Schwartz →


Videoyu izle: AKÇAABAT ZİRAAT ODASI TOPRAK NUMUNESİ ALMA (Ocak 2022).